JPH0540094A - 溶融金属の成分分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 分析対象の溶鋼の試料の搬送時間を大幅に短
縮して、正確な溶鋼成分の分析結果を迅速に得る。 【構成】 自由度を有する複数の関節部12を備えたレー
ザ導波管１内を伝送したレーザ光を、容器10内にサンプ
リングした溶鋼に照射し、溶鋼の表面に発生したプラズ
マ光を光ファイバ４にて分光器20に伝送し、プラズマ光
のスペクトル解析により溶鋼の成分を分析する。溶鋼の
サンプリングに先立って、予めレーザ導波管１の発光部
13をサンプリング位置近傍に、ロボットアーム３により
配置しておく。発光部13と溶鋼表面との距離は、昇降機
構21により調節する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶鋼等の溶融金属の成
分をレーザ発光分光分析法により分析する溶融金属の成
分分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶融金属の精錬作業、特に鉄鋼の転炉精
錬においては、製品の高品質化，多用化及び精錬工程に
要する時間の短縮化の要求に伴って、溶融金属（溶鋼）
の成分分析の高精度化及び分析時間の短縮化が強く要望
されている。

【０００３】現在、鉄鋼の精錬過程において用いられて
いる溶鋼の代表的な成分分析法として、放電を利用した
放電発光分光分析法がある。この方法は、例えば鉄鋼便
覧ＶＯＬ２，ｐ４９０に示されているサブランス法にて
溶鋼の一部である試料をサンプリング容器内にサンプリ
ングした後、十分に環境整備された分析室内で分析を行
うものである。

【０００４】この分析法においては、試料サンプリン
グ，サンプリング容器からの試料の取り出し，分析室内
への試料搬送，試料の冷却，切断，研磨等の前処理を施
した後、分析処理を行うので、試料サンプリング開始か
ら分析処理完了まで略５分の時間を要する。精錬工程が
約20分程度であることを考慮すると、この５分は大変長
い時間であると言える。このため、分析結果が得られた
時には、分析した溶鋼は既に精錬工程を終え次工程に移
行している場合、または成分が大きく異なった溶鋼を精
錬中である場合があるので、分析結果を有効に利用でき
ないという難点がある。

【０００５】上述したような放電発光分光分析法とは異
なり、溶融金属（溶鋼）の成分を直接分析する試みがな
されている。このような直接分析法の中では、レーザ光
を試料に照射してその表面にプラズマ光を発生させ、こ
のプラズマ光を分光解析して溶融金属の成分を直接分析
する方法、所謂レーザ発光分光分析法が広く用いられて
いる。このレーザ発光分光分析法は放電発光分光分析法
に比べて、試料面との距離変動による影響を受けにく
い、応答時間が短い、１ｍ程度の遠隔にある試料の分析
が可能である、放電による電極の消耗がなく自動化が可
能である等の点において有利である。このレーザ発光分
光分析法を用いて、溶鋼を直接分析する方法及び装置の
一例が、特開昭62─282247号公報に開示されている。

【０００６】特開昭62─282247号公報に開示された方法
は、転炉内の試料（溶鋼）を耐熱性のコップにより汲み
上げ、汲み上げた試料をレーザ分光装置に搬送し、成分
分析を行うものである。サブランスまたはそれに類似し
たサンプリング装置の先端に取付けられたコップには適
当な蓋が設けられており、サンプリングの際に、溶鋼上
のスラグ部分を通過した後、溶鋼中にてその蓋が外れて
コップ中に溶鋼が流入する。その後コップは再びスラグ
中を通過し試料は転炉外に汲み上げられる。汲み上げら
れた試料にはスラグ, 酸化膜が混在しているので、コッ
プを傾けて溶鋼を流し出すこによってこれらを除去す
る。その後、サンプリング装置の近傍に配置した分析装
置まで試料を搬送し、試料表面にArガスをパージしなが
ら成分分析を行う。特開昭62─282247号公報に開示され
た方法はこのようにして、試料の搬送時間及び前処理時
間の短縮化を図って分析作業の迅速化を実現しようとし
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】レーザ発光分光分析法
に用いる分析装置は、その内部にレーザ発振器，高分解
能分光器及び種々の光学系等を有しているので比較的大
嵩な装置である。具体的には２ｍ×１ｍ×１ｍ程度のサ
イズであり、その設置場所はおのずと限定される。一
方、転炉内の溶鋼のサンプリング装置の設置可能場所も
限定されるので、分析装置とこのサンプリング装置とを
必ずしも近接して設置できない。また試料は溶鋼である
のでこぼさないように注意して分析装置まで搬送する必
要がある。以上のような理由により、サンプリング装置
から分析装置までの試料搬送に要する時間をあまり短縮
できず、このことが短時間にて分析を行う際の障害とな
っている。

【０００８】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であり、レーザ発振器，分光器等を限定された位置に設
置した場合においても、自由度を有する複数の関節部を
備えたレーザ導波管を使用し、このレーザ導波管の位置
を制御する構成とすることにより、測定場所を比較的自
由に設定でき、サンプリング装置の近傍で測定すること
も可能であり、試料の搬送時間の大幅な短縮化を図るこ
とができ、迅速に溶融金属の成分分析を行える溶融金属
の成分分析装置を提供することを主目的とする。

【０００９】また、本発明の他の目的は、レーザ導波管
に分析用とは別のレーザ光を伝送して試料とレーザ導波
管との距離を測定し、その測定結果に基づいてレーザ導
波管の位置を制御する構成とすることにより、試料，レ
ーザ導波管間の距離を一定に保つことができる溶融金属
の成分分析装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本願の第１発明に係る溶
融金属の成分分析装置は、レーザ発光分光分析法を用い
て溶融金属の成分を分析する装置において、自由度を有
する複数の関節部を備え、その内部にレーザ光を伝送し
て分析対象の溶融金属の試料にレーザ光を照射するレー
ザ導波管と、該レーザ導波管の位置を制御する制御機構
と、レーザ光の照射により前記試料の表面に発生したプ
ラズマ光を伝播する光ファイバと、該光ファイバにて伝
播されたプラズマ光のスペクトルを分光解析して前記溶
融金属の成分分析を行う分光器とを具備することを特徴
とする。

【００１１】本願の第２発明に係る溶融金属の成分分析
装置は、第１発明において、前記レーザ導波管に前記レ
ーザ光とは異なる別のレーザ光を伝送し、前記試料と前
記レーザ導波管との距離を測定し、この測定結果に基づ
いて前記制御機構により前記レーザ導波管の位置を制御
するように構成したことを特徴とする。

【００１２】

【作用】第１発明の成分分析装置では、レーザ導波管を
伝送されるレーザ光がその関節部において伝送方向が変
化されるので、このような関節部をレーザ導波管の中途
に設けると自由な方向へレーザ光を伝送できる。従っ
て、レーザ導波管を試料の近傍に配置でき、試料の搬送
時間は短縮される。

【００１３】第２発明の成分分析装置では、レーザ導波
管と試料との距離を測定し、その測定結果をレーザ導波
管の位置制御にフィードバックするので、両者間の距離
は均一に保たれる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明をその実施例を示す図面に基づ
いて溶鋼の成分分析を例として具体的に説明する。

【００１５】図１は、本発明に係る溶融金属（溶鋼）の
成分分析装置におけるレーザ導波管とレーザ導波管の制
御機構とを示す模式的斜視図である。図中１は、複数の
管部11と複数の関節部12とを交互に１つずつ連結して構
成されるレーザ導波管である。レーザ導波管１の基端
は、レーザ光を発振する分析室２内のレーザ発振器19に
接続している。また、試料を収納した容器10に対向する
レーザ導波管１の先端部は発光部13となっている。レー
ザ導波管１は、これの位置を制御するための駆動機構で
あるロボットアーム３に連結されている。ロボットアー
ム３は２か所の関節部を有し、その先端部には昇降機構
21を備えている。昇降機構21は自由度が１であり、レー
ザ導波管１を試料への接離方向（図中上下方向）に移動
させる。ロボットアーム３はマイコン（図示せず）によ
って制御されており、このマイコンにはレーザ導波管１
の必要な移動場所の情報が予め入力されている。なお、
レーザ導波管１の近傍に位置検出センサを設け、ロボッ
トアーム３における位置制御の確認を行うようにしても
よい。また、レーザ光の照射により試料（溶鋼）に発生
したプラズマ光に基づいてその成分を分光解析する分析
室２内の分光器20には、そのプラズマ光を分光器20まで
伝播する光ファイバ４の一端が接続されている。光ファ
イバ４の他端は容器10の上方に位置決めされている。レ
ーザ導波管１内には、プラズマ光を発生させるための分
析用レーザ光とレーザ導波管１及び試料間の距離を測定
するための距離測定用レーザ光とが伝送され、両レーザ
光が容器10内の試料に照射される。

【００１６】図２は、レーザ導波管１の内部構成を示す
模式的断面図であって、隣合う管部11a, 11bとこれらの
管部11a, 11bとの間に連結配置された関節部12を表して
いる。管部11a と関節部12とはベアリング14を介して連
結されている。関節部12内には回転可能なミラー15が設
けられている。図において、矢印は伝送されるレーザ光
の光軸を示し、一点鎖線は管部11b,関節部12及びミラー
15の回転軸を示す。図２を参照してレーザ導波管１内の
レーザ光伝送について説明する。上流側の管部11a 内を
その中心軸沿いに伝送されたレーザ光は関節部12内のミ
ラー15により反射される。関節部12においてミラー15は
レーザ光の入射方向に一致した回転軸で回転し、反射後
のレーザ光は下流側の管部11b 内をその中心軸沿いに伝
送される。このように、ミラー15の回転によりレーザ光
の反射方向を変えることが可能である。従って、このよ
うな構成の複数の関節部12をレーザ導波管１の中途に設
けることにより、自由な方向へレーザ光を伝送すること
ができる。

【００１７】図３は、成分分析時におけるレーザ導波管
１の発光部13の近傍を示す模式的拡大断面図である。発
光部13には石英製のパージ用カップ16が押え治具18によ
り押さえ付けられており、パージ用カップ16には分析動
作前には石英製の蓋17が押え治具18により取り付けられ
ている。なお、分析動作時には図３に示すように、パー
ジ用カップ16の先端は試料Ｓに浸漬され、押え治具18が
退避して蓋17は外されている。これらのパージ用カップ
16及び蓋17はレーザ導波管１の可動範囲に多数準備され
ており、各回の分析動作毎に取り替える。また、これら
のパージ用カップ16，蓋17の取り付け及び交換は自動的
に行われる。

【００１８】次に、溶鋼の成分分析動作について説明す
る。

【００１９】予め、サンプリングした溶鋼を収納する容
器を置く位置を決めておき、その位置の近傍にレーザ導
波管１の先端部をロボットアーム３により移動してお
く。また、レーザ導波管１の先端部（発光部13）に新し
いパージ用カップ16及び蓋17を取り付けておくと共に、
取り付けたパージ用カップ16内をアルゴンガスにてパー
ジしておく。そして、サブランス法により溶鋼のサンプ
リングを行う。断熱性が高い容器を備えた紙管をサブラ
ンスに接続し、紙管を溶鋼中に浸積させて、容器内に液
相状態で試料となる溶鋼をサンプリングする。サンプリ
ング後、容器をその直上で紙管上部から切離し、近傍に
その容器を設置する。以上のようにしてサンプリングし
た試料（溶鋼）にレーザ光を照射して成分の分析を行
う。

【００２０】サンプリング後直ちに、試料（溶鋼）にパ
ージ用カップ16の先端を浸積させた後、蓋17を外し、ス
ラグ，酸化膜がない適当な試料面を得る。レーザ導波管
１内にレーザ発振器19からの分析用レーザ光を伝送して
（図３矢符）試料Ｓの表面に照射する。この分析用レー
ザ光の照射により試料Ｓの表面にプラズマ（図３Ｐ）が
発生する。プラズマ光は光ファイバ４により分析室２内
の分光器20へ伝播される。分光器20にてプラズマ光のス
ペクトルが解析されて、試料Ｓ（溶鋼）の成分が分析さ
れる。

【００２１】以上のように、レーザ導波管１の先端部を
サブランスによるサンプリング時に予めサブランスのき
わめて近傍に待機させておけるので、溶鋼をサンプリン
グした直後に試料にレーザ光を照射して成分分析を行う
ことができ、搬送時間を大幅に短縮して溶鋼の成分分析
を迅速に行える。また、レーザ導波管１の位置をロボッ
トアーム３により制御できるので、分析時だけでなく、
メンテナンス時等に所望の場所へのレーザ導波管１の移
動が可能である。

【００２２】ところで、高精度の分析を行うためには、
溶鋼面（試料面）の位置を正確に検出する必要がある。
本発明では、分析用レーザ光とは異なる別の距離測定用
レーザ光をレーザ導波管１内に伝送し、溶鋼面での反射
位置を確認することによってレーザ導波管１から溶鋼面
までの距離（溶鋼面の高さ）を測定し、その測定結果に
応じてロボットアーム３の昇降機構21を駆動して両者間
の距離を調整し、一定の距離を保つようにしている。

【００２３】なお、上述の実施例では溶鋼を例にした
が、これに限らず他の溶融金属の場合も同様にその成分
分析を行えることは勿論である。

【００２４】

【発明の効果】以上詳述した如く、第１発明の溶融金属
の成分分析装置では、自由度を有する複数の関節部を備
えたレーザ導波管を使用し、このレーザ導波管の位置を
制御する構成としたので、配置場所を比較的自由に設定
でき、サンプリング装置の近傍に配置することも可能で
あり、試料の搬送時間の大幅な短縮化を図ることがで
き、迅速に溶融金属の成分分析を行うことができる。

【００２５】また、第２発明の溶融金属の成分分析装置
では、レーザ導波管に分析用とは別のレーザ光を伝送し
て試料とレーザ導波管との距離を測定し、その測定結果
に基づいてレーザ導波管の位置を制御する構成としたの
で、試料，レーザ導波管間の距離を一定に保つことがで
き、精度が高い分析結果を得ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の溶融金属の成分分析装置の全体構成を
示す模式的斜視図である。

【図２】本発明の溶融金属の成分分析装置におけるレー
ザ導波管の内部構成を示す模式的断面図である。

【図３】本発明の溶融金属の成分分析装置におけるレー
ザ導波管の先端部近傍を示す模式的断面図である。

【符号の説明】

１ レーザ導波管 ２ 分析室 ３ ロボットアーム ４ 光ファイバ 11 管部 12 関節部 13 発光部 15 ミラー 19 レーザ発振器 20 分光器 21 昇降機構 Ｓ 試料（溶鋼）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発光分光分析法を用いて溶融金属
   の成分を分析する装置において、自由度を有する複数の
   関節部を備え、その内部にレーザ光を伝送して分析対象
   の溶融金属の試料にレーザ光を照射するレーザ導波管
   と、該レーザ導波管の位置を制御する制御機構と、レー
   ザ光の照射により前記試料の表面に発生したプラズマ光
   を伝播する光ファイバと、該光ファイバにて伝播された
   プラズマ光のスペクトルを分光解析して前記溶融金属の
   成分分析を行う分光器とを具備することを特徴とする溶
   融金属の成分分析装置。
2. 【請求項２】 前記レーザ導波管に前記レーザ光とは異
   なる別のレーザ光を伝送し、前記試料と前記レーザ導波
   管との距離を測定し、この測定結果に基づいて前記制御
   機構により前記レーザ導波管の位置を制御するように構
   成したことを特徴とする請求項１記載の溶融金属の成分
   分析装置。