JPH02254345A - 溶融金属のレーザー発光分光分析方法及び装置 - 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、溶融状態にある金属表面にレーザー光を照射
し、精錬過程での溶融金属成分の測定を行う溶融金属の
レーザー発光分光分析方法及び装置に関する。

（従来の技術） 金属の精錬プロセスでは精錬中に迅速に成分分析を行い
、その結果に基づいて精錬の完了や副原料の投入量を決
定する必要があるため、下記のような種々の分析方法が
用いられ、あるいは提案されている。即ち、 ■溶融金属をサンプリングし、固化させた後、ブロック
型試料とし、これを切断、研磨した後、スパーク放電に
より試料にエネルギーを与えて成分元素を励起し、発光
分光分析を行う方法。

■溶鋼の凝固温度が主として鋼中の炭素濃度の関数であ
ることを利用する方法で、サンプリングした溶融金属を
徐冷し凝固温度を測定する方法。

■溶融金属表面にレーザーパルスを照射してメタルプラ
ズマを生じさせ、その部分から放出される光を分光分析
する方法。

なお、■のレーザー発光分光分析は最近使用されはじめ
た方法で、例えば下記のような方法あるいはそのための
装置が知られている。

■−１−１量定量の各スペクトル線の強度からバックグ
ラウンドの影響を除去して各スペクトル線の純強度を求
め定量を行う方法（特開昭５６−１１４７４６号公報）
。

■−２溶融金属に直接レーザー光を照射する装置（特開
昭５９−１４５９３２号公報）。

■−３高炉から出銑された溶銑が混銑車へ移動する間に
レーザー光を照射して各成分分析を行う方法（特開昭６
ｉ１２８４３号公報）。

■−４溶湯表面にランスにてガスを噴射すると共に、こ
のランス内を通してランスのガス噴射口まで延設された
光ファイバーを用いてレーザー光を照射し、前記光ファ
イバーにより励起光を受光する方法（特開昭６２−２５
４０４２号公報）。

■−５第１のレーザーパルスを照射して発生したプラズ
マ上に第２のレーザーパルスを照射してプラズマをさら
に高温に励起する多段励起による分光分析方法及び装置
（特開昭６１１８８９１９号公報）。

（発明が解決しようとする課題） 前記■の方法においては溶融金属のサンプリングから分
析結果がでるまで通常３〜５分時間がかかり、現在の鉄
鋼業の迅速精錬技術の進歩のネックとなりつつある。前
記■の方法においては、炭素濃度しか測定できず、迅速
ではあるが汎用性で劣っている。また、前記■の方法に
おいて、■＝１ないし■−４の方法あるいは装置は、い
ずれも１回の、すなわち単段のレーザー光の照射でプラ
ズマを生成させ、それから発生する光を用いて分光分析
を行うもので、十分励起されたプラズマが得られず、精
度のよい分析は困難である。■−５はこのような単段レ
ーザー発光分光分析法の問題点を解決する目的で、提案
された方法及び装置であるが、溶融金属表面の場面変動
により第１のレーザーパルスを照射した際、発生するプ
ラズマ量が変動し、分析値が変動するという問題があっ
た。

本発明は上記の従来技術における課題を解決し、溶融金
属成分を高精度で迅速に分析する方法及び装置を提供す
ることを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明の要旨は、次の分析方法及び分析装置にある。

溶融金属表面に酸素ガスジェットを吹きつけ、その火点
に生成する低温のプラズマに前記酸素ガスジェット内を
通してレーザーパルスを照射し、前記低温のプラズマを
さらに励起し、その部分から発生する励起光を集光し、
分光することを特徴とする溶融金属のレーザー発光分光
分析方法。

レーザーパルス照射用の光パスと励起光受光用の光パス
とが溶融金属表面に酸素ガスジェットを吹きつけるため
のランス内に収納されており、前記照射用光パスの光学
系及び受光用光パスの光学系が溶融金属表面の同一部分
を指向するように配置されていることを特徴とする溶融
金属のレーザー発光分光分析装置。

本発明の発光分光分析装置において照射用光パスと受光
用光パスとを個別に設けた理由は、照射用光パスは高エ
ネルギー密度のレーザーパルスが通過するため熱ショッ
ク等による損傷を受けやすく、受光用光パスは２００ｎ
ｍ前後の波長の光を集光伝送する必要があるため、照射
用光パスとは異なった特性が要求されるからである。

第１図は本発明のレーザー発光分光分析装置の構成の一
例と、これを転炉を対象として用い本発明方法を実施す
る場合の説明図で、（イ）図は全体図、　（０）図は（
イ）図の一部の拡大断面図である。

なお、本例ではレーザーパルス照射用及び励起光受光用
の光パスとして光フティバーを用いているが、光ファイ
バーに限定されるものではなく、リレーレンズ、ミラー
系、又はそれらの組み合わせでもよい。

これらの図において、本発明の装置はレーザー光照射用
光ファイバー１と励起光受光用光ファイバー２が転炉３
のメインランス（酸素ガスジェット吹込み用ランス）４
内に収納され、それぞれレーザー発振器５と分光分析器
６に接続されている。

分光分析器６は信号処理及び表示装置７に接続されてい
る。メインランス４の先端には２孔以上、通常は３孔の
酸素ガスジェット吹きつけノズル９が設けられており、
そのうちの２孔に照射用光ファイバー１と受光用光ファ
イバー２が、酸素ガスジェット１０を吹き付ける際に溶
鋼表面８上のほぼ同一部分を指向するように、即ち、照
射用光ファイバー１から照射したレーザーパルスで励起
した部分から発生する励起光を受光用ファイバー２で最
も効率よく受光するように配設されている。

用いるレーザーパルスのパルス幅は特に限定されるもの
ではなく、半値半幅で１μｓｅｃ以下であればよい。

レーザーパルスの熔融金属表面における径及びエネルギ
ー密度には最適値が存在する。第２図は溶鉄中のＳｉの
分析を行った際の発光強度のバラツキに及ぼすレーザー
ビーム径とレーザーパルス強度の影響を示したグラフで
ある。縦軸の発光強度のバラツキの単位ΔＩ／Ｔにおい
て、■は平均発光強度、Δ■は発光強度の変動幅である
。同図において、エネルギー密度に応じた最適のレーザ
ービーム径が存在し、ビーム径がこの径より小さくなる
と発光強度のバラツキが増大することがわかる。これは
、レーザービームを絞りエネルギー密度を上げると、照
射したレーザー光が炉内の塵などに当たってスパークを
発生したり、火点即ち溶融金属表面に生成しているプラ
ズマだけでなく溶融金属そのものを蒸発励起するため、
温度分布の大きいプラズマを生成させることになり、安
定性が損なわれることによるものである。従って、少し
広いビーム径を有するレーザー光で、あまりエネルギー
密度を上げず、プラズマを均一に励起することが望まし
い。

レーザーパルスとしては、例えばＹＡＧレーザーでＱス
イッチにより尖頭出力の大きいパルスとして取り出した
レーザーパルスを用いることができる。

分光分析器は通常用いられているものでよい。

ディテクターはフォトマルでもよいが、スペクトル分布
がわかるようにイメージインテンシファイヤー（Ｉ　Ｉ
）とフォトダイオードアレイを組み合わせたものを使用
することもできる。

第１図において、本発明方法を実施するに際し、メイン
ランス４の酸素ガスジェット吹きつけノズル９を通して
酸素ガスジエツ）１０が溶鋼表面８に吹きつけられる。

この時、溶鋼表面８のスラグ１１は吹き飛ばされ、清浄
な溶鋼表面８（第１図（ロ））が現れる。このような状
態のもとで、レーザー発信器５で発信されたレーザーパ
ルスが照射用光ファイバー１を介して酸素ガスジェット
吹きつけノズル９を通り酸素ガスジェッＨＯ内を通過し
て前記の清浄な溶鋼表面８に照射される。このレーザー
パルスが照射された部分から発生した励起光は酸素ガス
ジェット１０内を通過し、酸素ガスジェット吹きつけノ
ズル９を経て受光用光ファイバー２で集光され、分光分
析器６に導かれ、分光された後光電変換されて、信号処
理及び表示装置７によりスペクトル線として表示される
。

（作用） 本発明の特徴は、溶融金属表面に酸素ガスジェットを吹
きつけ清浄な視野を確保するとともに、酸素ガスジェッ
トが溶融金属表面に衝突して生じた局部的に極めて高温
の火点にできたプラズマにレーザーパルスを集光照射し
、このプラズマをさらに高温に励起して強い発光スペク
トルを得、精度のよい成分分析を可能にしたことにある
。

一般に火点には比較的大量の低温プラズマができている
ため、レーザーパルスの１回の照射でプラズマをより高
温に励起でき、強いスペクトルが得られ、高精度の分析
が可能となる。

照射するレーザーパルスのビーム径は、前記のように金
属を蒸気化させる必要はなく、酸素ガスジェットにより
溶融金属表面の火点に生成している低温プラズマを励起
するだけなので、通常の単段レーザー発光分光分析の場
合のように細く絞る必要はなく、１〜１０ｎｍφ程度の
比較的大きいビーム径でよい。従って、単段レーザー発
光分光分析の際問題となる対物レンズと場面との距離変
動による金属の蒸気化量の変動や、場面の波立ちによる
蒸気化量の変動等に起因する分析値の変動を抑制するこ
とができる。

レーザーパルス照射系及び受光系は酸素ガスジエンド中
に配設されているので、照射するレーザーパルスの散乱
や励起光の減衰が少ない。また、酸素ガスジェット気流
により光学系が冷却されるという効果もある。

（実施例） 本発明方法により転炉中の溶鋼を分析し、従来の単段励
起による方法（以下、従来法という）と比較した。用い
た装置は第１図に示した構成を有する装置で、Ｑスイッ
チ付きのＹＡＧレーザーを用い、１パルス当たりのエネ
ルギーは約１ジエールとした。

分光器としては１ｍ分散のものを用い、グレーティング
は２４００本／霧−のものを使用した。

ディテクターはイメージインテンシファイヤー（Ｉ　１
）とフォトダイオードアレイを組み合わせたものを使用
した。

第３図は溶鋼をレーザー光で励起した場合の発光強度の
比較図で、（イ）は従来法、（０）は本発明方法を用い
た場合である０発光強度は観測波長の中で一番強いＦｅ
の発光強度で規格化してあられしている。同図から、本
発明方法の方がＳ／Ｎが４〜５倍向上しており、効果的
な励起がされていることがわかる。

第１表は低炭素１１ｍ　（Ｃ：　０．０８％、Ｓｉ：０
．１％、Ｍｎ　：　１．０％、Ｐ　：　０．００９％）
を対象として従来法及び本発明方法により分析を行った
場合の各成分の分析再現性を比較した結果である。同じ
サンプルを用いて１０回分析を行った時の分析値の標準
偏差で分析再現性をあられしたものであるが、分析精度
は従来法に比較して本発明方法の方が大幅に向上してい
ることが明らかである。

第１表　　（単位％） 第４図は吹錬中の低合金鋼についてのマンガン濃度の経
時変化の測定例である。同図において、実線は本発明方
法による測定結果、・印は吹錬開始時、吹錬中及び吹錬
停止時にサンプリングし、固化させた後、カントバック
で分析した結果である。同図から本発明方法を適用する
ことにより精錬過程中の溶鋼のマンガン濃度を精度よく
測定できることがわかる。

（発明の効果） 以上説明したように、溶融金属のレーザー発光分光分析
において、酸素ガスジェットを吹き付けた溶融金属表面
の火点に生成する低温のプラズマにレーザーパルスを照
射して行う本発明の方法及び装置を適用することにより
、強いスペクトルが得られ、また、照射するレーザーパ
ルスのビーム径を従来のビーム径よりも大きくすること
ができ、従来オンラインでは適用できなかったレーザー
発光分光分析をオンラインで行うことができる。これに
より、溶融金属成分を吹錬中に迅速かつ高精度で分析す
ることが可能であり、例えば製鋼副原料の投入量の制御
を有効に行い、吹錬的中率の向上とそれに基づく大幅な
コストの低減をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の構成の一例とこれを転炉を対象
として用い本発明方法を実施する場合の説明図、 第２図は発光強度のバラツキに及ぼすレーザービーム径
とレーザーパルス強度の影響を示したグラフ、 第３図は本発明方法及び従来法によりｆ′？Ｉ鋼を励起
した場合の発光強度の比較図、 第４図は本発明方法により測定した吹錬中のマンガン濃
度の経時変化を示したグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）溶融金属表面に酸素ガスジェットを吹きつけ、そ
   の火点に生成する低温のプラズマに前記酸素ガスジェッ
   ト内を通してレーザーパルスを照射し、前記低温のプラ
   ズマをさらに励起し、その部分から発生する励起光を集
   光し、分光することを特徴とする溶融金属のレーザー発
   光分光分析方法。
2. （２）レーザーパルス照射用の光パスと励起光受光用の
   光パスとが溶融金属表面に酸素ガスジェットを吹きつけ
   るためのランス内に収納されており、前記照射用光パス
   の光学系及び受光用光パスの光学系が溶融金属表面の同
   一部分を指向するように配置されていることを特徴とす
   る溶融金属のレーザー発光分光分析装置。