JPH06242003A - 鉄鋼中のアルミナの粒度測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】鋼中のアルミナ介在物の粒度分布を迅速かつ正
確に分析することができる鋼の発光分光分析方法を提供
する。 【構成】鉄鋼試料にパルス放電して得られる各パルス発
光を時系列的に群化し、各群の各パルス発光を鉄元素の
発光スペクトル強度とアルミニウム元素の発光スペクト
ル強度を座標としてプロットされたパルスの密集部のア
ルミニウム元素発光スペクトル強度側の上限を設定して
これを越えた異常値パルスの数を求め、この異常値パル
ス数の経時変化を予め求めておいた検量線と対比するこ
とを特徴とする、鉄鋼中に介在するアルミナの粒度測定
方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、発光分光分析法を利
用した、鉄鋼中に介在するアルミナの粒度測定方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】鋼へのアルミニウムの添加は、脱酸剤と
しての機能の他に、鋼質を決定する上での重要な指標と
なっている。鋼中アルミニウムの形態は、鋼に固溶して
いる酸可溶性アルミニウム（以下，Ｓol−Ａｌと記す）
と、アルミナ介在物（酸化物）である酸不溶性アルミニ
ウム（以下，Ｉnsol−Ａｌと記す）との二つの形態があ
る。製鋼工程においては、各鋼種毎にＳol−Ａｌ量が定
められており、実作業では分析結果に基づきＳol−Ａｌ
量が規格範囲内に収まるようにアルミニウム添加量を調
整している。添加アルミニウムの大部分は固溶してＳol
−Ａｌになるが、一部はＩnsol−Ａｌになる。Ｉnsol−
Ａｌが鋼中に多量に存在すると、これにより製品に表面
きずなどの欠陥が生じやすくなる。

【０００３】特に、大粒径のアルミナ介在物が鋼中に多
く存在すると、介在物を起点に割れやきず等が発生しや
すく、また製品の疲労特性が著しく低下する。このた
め、深絞り材の鋼製品、および軸受け鋼等においては、
高い清浄度を要求されるので、製鋼工程の各段階、また
出荷材の品質保証において鋼中のアルミナ介在物の粒度
分布を正確に把握する必要がある。

【０００４】一般に、鋼中介在物の粒度分布を測定する
方法には、酸溶解抽出分析法および顕微鏡法がある。前
者では、分析試料を酸に溶解してアルミナ介在物を抽出
して介在物の粒度分布を測定する方法である。後者の顕
微鏡法は、ＪＩＳ Ｇ 0555に規定されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
方法では複雑な操作が不可欠であり、さらに１試料あた
りの分析所要時間が２乃至５日にも及び実用的ではな
い。

【０００６】一方、後者の方法では、試料を鏡面仕上げ
しなければならず、試料作製及び測定に１乃至２日も要
するので、分析結果を迅速に得ることができない。近年
ではコンピュータ画像解析法が開発され、分析の迅速化
が進んでいるが、研磨疵およびゴミの付着により誤差を
生じやすい。また、コンピュータ画像解析法では介在物
の種類を判別することが困難であるなどの欠点がある。

【０００７】この発明は、かかる事情に鑑みてなされた
ものであって、鋼中のアルミナ介在物の粒度分布を迅速
かつ正確に分析することができる鋼の発光分光分析方法
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題は、鉄鋼試料に
パルス放電して得られる各パルス発光を時系列的に群化
し、各群の各パルス発光を鉄元素の発光スペクトル強度
とアルミニウム元素の発光スペクトル強度を座標として
プロットされたパルスの密集部のアルミニウム元素発光
スペクトル強度側の上限を設定してこれを越えた異常値
パルスの数を求め、この異常値パルス数の経時変化を予
め求めておいた検量線と対比することを特徴とする、鉄
鋼中に介在するアルミナの粒度測定方法によって解決さ
れる。

【０００９】パルス放電の周波数は、鉄元素及びアルミ
ニウム元素のパルス発光の経時変化がとらえられるもの
であればよいが、例えば200〜400ヘルツ程度が適当であ
る。

【００１０】アルミニウム元素のパルス発光スペクトル
のうち測定する波長は発光強度の強いスペクトルを選択
することが望ましい。分析波長としては、アルミニウム
元素の場合には、396.1nm、308.2nm等が適当であり、鉄
元素の場合には、287.5nm、271.4nm等が適当である。

【００１１】鉄元素及びアルミニウム元素のパルス発光
スペクトルの測定はパルス放電直後から開始し、異常パ
ルス数の充分な経時変化が得られるまで行なうことが好
ましい。適当なパルス発光測定時間はパルス放電強度等
によって異なるが、通例パルス放電直後から20〜60秒後
まででよい。

【００１２】但し、放電直後に表面汚染等による異常放
電が認められる場合は、５秒以内の予備放電を行わなけ
ればならないが、この時間はできるだけ短い方が好まし
い（通常は１秒程度でよい。）。

【００１３】パルス発光の測定には通常の発光分光分析
器を用いることができる。

【００１４】こうして得られた各パルス発光を時系列的
に群に分ける。各群のパルス発光数は統計的処理を行な
って異常パルスを識別できる程度必要であり、通常500
〜4000個程度、好ましくは1000〜2000個程度とする。

【００１５】各群に分けられたパルスのうち、その群に
属する各パルス発光を鉄元素の発光スペクトル強度とア
ルミニウム元素の発光スペクトル強度を座標としてプロ
ットする。

【００１６】次に、プロットされた各群のパルスの密集
部のアルミニウム元素発光スペクトル強度側の上限を設
定する。この上限の設定には再現性、すなわち同一のパ
ルス分布状態では同一の上限が設定されるようにする必
要がある。その一手段として、パルス群を回帰法により
処理し、パルス群の下方接線を相関式として求める。こ
の下方接線相関式を統計的解析手法により変形し、上方
接線を求める。この上方接線は、上記の上限として異常
値パルスを他の正常値パルスから区分するためのしきい
値を与えるものであり、上方接線を越えるパルスを異常
値パルスと判定するのである。

【００１７】具体的には、まずパルス発光を時系列にｍ
個毎にｎ群に分ける。各群の鉄元素の発光スペクトル強
度（鉄強度）の総和を求め、これを当該群のパルス数で
割って鉄強度の平均値Ａｖ_nを算出する。次に、この鉄
強度がＡｖ_n以上のものをアルミニウム元素の発光スペ
クトル強度（アルミニウム強度）の小さいものから並
べ、その小さい方からｐ個のパルスを抽出する。ｐは鉄
強度の強いもののアルミニウム強度の下限を代表するよ
うに、下限からのずれが少なくかつ下限値の信頼性が高
まるよう設定され、３個以上、好ましくは10個程度で各
群のパルス数の５％以下、好ましくは１％程度になるよ
うにするのがよい。このｐ個のパルスの鉄強度の平均値
ＦＨおよびアルミニウム強度の平均値ＡＨを算出する。
一方、鉄強度がＡｖ_n未満のものについてもアルミニウ
ム強度の小さいものから並べ、その小さい方からｑ個の
パルスを抽出する。ｑは鉄強度の弱いもののアルミニウ
ム強度の下限を代表するように、下限からのずれが少な
くかつ下限値の信頼性が高まるよう設定され、３個以
上、好ましくは10個程度で各群のパルス数の５％以下、
好ましくは１％程度になるようにするのがよい。このｑ
個のパルスの鉄強度の平均値ＦＬおよびアルミニウム強
度の平均値ＡＬを算出する。

【００１８】次に、上記の鉄強度がＦＨでアルミニウム
強度がＡＨであるＰ点と鉄強度がＦＬでアルミニウム強
度がＡＬであるＱ点を通る直線の式を求める。この直線
式は、鉄強度およびアルミニウム強度の下限を仕切る相
関式として下記式のように表現できる。

【００１９】(Ａｌ)_n＝(Ｆｅ)_n×Ａ_n＋Ｂ_n 〔ただし、（Ａｌ）はアルミニウム強度、（Ｆｅ）は鉄
強度、Ａ_nはＸＹ座標上における直線の傾き、Ｂ_nはＸＹ
座標上における直線の切片、ｎはパルス放電群の番号を
それぞれ示す。〕上記等式を図１中の直線Ｇに示す。

【００２０】以上の処理を各パルス放電群毎に算出す
る。

【００２１】上記式を基にパルスの密集部の上限を仕切
る式、（Ａｌ）＝（Ｆｅ）×Ａ_n×Ｋ＋Ｃ_n〔但し、Ｋは
定数であり、Ｃ_n＝Ａｖ_n×Ａ_n＋Ｂ_nである。ｎはパルス
放電群の番号である。〕を求める。Ｋの算出方法として
は、アルミナを含まない試料のパルス分布を求め、解析
を行い、実験的に上限式を算出した。すなわち、Ａｌ濃
度に無関係に上方接線式のＫは2.0〜2.5となることが判
明したので、Ｋ＝2.5を実験的に算出した。

【００２２】上記等式を図１中の直線Ｈに示す。この直
線Ｈの上方に存在するパルス、すなわち（Ａｌ）＞（Ｆ
ｅ）×Ａ_n×Ｋ＋Ｃ_nを満足するパルスを異常値パルスと
判定し、その数を求める。

【００２３】以上の計算を各パルス群毎に行なう。

【００２４】こうして時系列的に得られたパルス群の異
常値パルス数を指標として鉄鋼試料中のアルミナ介在物
の粒度を求める。この粒度は予め標準試料について求め
ておいた粒度と異常値パルス数の関係と照合することに
よって求めることができる。この粒度は粒径に関する指
標であればよく、その種類は問わない。例えば粒度分布
の場合には、アルミナ介在物の粒径分布が既知の標準試
料に同様な解析を行ない、各粒径ごとに異常値パルスの
数を予め検出しておき、これら異常値パルスの数を基準
値として用いる。そして、これらの基準値と実測の異常
値パルスとの比較において試料中の介在物の粒径分布を
求めることができる。

【００２５】なお、アルミナ介在物の粒径分布を測定す
る場合について説明したが、この発明はこれのみに限ら
れることなく、ＭｎＳ、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＣａＯ、Ｂ
Ｎ等の他の種類にも通用することができる。

【００２６】

【作用】試料中にはＳol−ＡｌとＩnsol−Ａｌ（アルミ
ナ介在物）とが共存するが、両者は発光強度に現れる挙
動が異なり、一般に、Ｉnsol−Ａｌの励起効率がＳol−
Ａｌのそれよりも高くなる。

【００２７】この発明に係る鋼の発光分光分析方法にお
いては、試料にパルス放電すると、多数の異常値パルス
が検出される。これらの異常値パルスにおいては、鉄元
素の発光強度に対してアルミニウム元素の発光強度が異
常に高くなる。しかも、この現象はパルス放電初期に多
く認められパルス放電時間が長くなるにつれて減少して
いき、この減少速度はアルミナの粒度と相関している。
本発明においては、この現象を利用してアルミナの粒度
を求めている。

【００２８】

【実施例】連続鋳造鋳片のボトム部およびミドル部から
試料を採取し、各試料を発光分光分析することにより粒
径分布を測定した。

【００２９】試料と電極との間に１秒間だけ予備放電し
た後に更に20秒間パルス放電し、分光スペクトル線を光
電子倍増管で受け、鉄元素の波長287.5nmにおける発光
スペクトル強度およびアルミニウム元素の波長396.1nm
における発光スペクトル強度をそれぞれ検出した。パル
ス放電の周波数は400ヘルツであり、上記20秒間のパル
ス放電で合計8000個のパルス放電データが得られた。こ
の各パルスを時系列的に2.5秒（1000パルス）分ずつ８
個のパルス群に区分し、それぞれについて以下に示す手
順に従って統計処理を行なった。

【００３０】発光分光分析器の光電子倍増管はデータ処
理装置の入力側に接続されている。試料に放電し、得ら
れた鉄元素およびアルミニウム元素の発光スペクトル強
度の関係を図１に示す。図１では、予備放電直後のパル
ス群の例を示した。便宜的にプロット数を簡略化してい
るが、１回のパルス放電群において実際には1000個のパ
ルス群からなるものである。図面の横軸には鉄元素の発
光スペクトル強度（画面左から右へ向かって強度が大に
なる）を示し、縦軸はアルミニウム元素の発光スペクト
ル強度（画面下から上へ向かって強度が大になる）を示
す。

【００３１】データ処理装置のＣＰＵは、統計的解析を
実行するための各種プログラムを有している。発光プロ
ットの全てのデータがデータ処理装置のメモリ部に一時
的にストアされ、各種の統計的解析手法によってデータ
解析される。

【００３２】上記で得られた各パルス群ごとに鉄元素の
発光スペクトル強度（鉄強度）の総和を求め、これを各
群のパルス総数である1000で割って鉄強度の平均値Ａｖ
_nを算出した。次に、鉄強度がＡｖ_n以上のものをアルミ
ニウム強度の小さい方から10個のパルスを抽出して鉄強
度の平均値ＦＨおよびアルミニウム強度の平均値ＡＨを
算出した。鉄強度がＡｖ_n未満のものについてもやはり
アルミニウム強度の小さい方から10個のパルスを抽出し
て鉄強度の平均値ＦＬおよびアルミニウム強度の平均値
ＡＬを算出した。続いて、鉄強度がＦＨでアルミニウム
強度がＡＨであるＰ点と鉄強度がＦＬでアルミニウム強
度がＡＬであるＱ点を通る式、(Ａｌ) _n＝(Ｆｅ)_n×Ａ_n
＋Ｂ_n〔但し、(Ａｌ)_nはアルミニウム強度、(Ｆｅ)_nは
鉄強度、Ａ_nは直線の勾配、そしてＢ_nは鉄強度が０にお
けるアルミニウム強度をそれぞれ表す。ｎはパルス放電
群の番号である。〕のＡ_nとＢ_nを求めた。

【００３３】上記式を基にパルスの密集部の上限を仕切
る式(Ａｌ)_n＝(Ｆｅ)_n×Ａ_n×Ｋ＋Ｃ_n〔但し、Ｋは2.5
であり、Ｃ_n＝Ａｖ_n×Ａ_n＋Ｂ_nである。〕を求めた。

【００３４】この等式よりアルミニウム強度が高いパル
スの数をカウントし、これを異常値パルス数とした。上
記の結果を表１および表２に示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】次に、アルミナ介在物の粒径分布が既知の
標準試料に同様の解析を行ない、各粒径ごとに異常値パ
ルス数を求めた。

【００３８】検量線法（標準試料の対比法） 異常値パルス和の数（１と２群，２と３群……な
ど）を求める。 項の和の差を求める。 項で求めた和の差と介在物ppmより検量線を作成
する。 求めた検量線より未知試料について粒径毎の介在物
濃度を決定する。

【００３９】

【表３】

【００４０】次いで、この標準試料の異常値パルス数を
基準値として表１のデータと比較し、当該試料中のアル
ミナ介在物の粒度分布を求めた。結果を図２及び図３に
示す。図２は鋼塊ボトム部のアルミナ介在物の粒度分布
を示し、図３は鋼塊ミドル部のアルミナ介在物の粒度分
布を示している。

【００４１】一方、従来の酸溶解抽出法で求めた同じ鋼
塊のアルミナ介在物の粒度分布を図４及び図５に示す。
図４は鋼塊ボトム部の粒度分布を示しており、図５は鋼
塊ミドル部の粒度分布を示している。

【００４２】図から明らかなように、本発明方法による
分析結果は酸溶解抽出法による結果とよく一致し、本発
明方法で鋳塊の各部の粒径分布測定を正確に行なうこと
ができる。

【００４３】上記の異常値パルス異常度判定法を利用す
る方法によれば、分析開始から終了までの所要時間は約
60秒間（２回分析の場合）であり、試料調製時間を含め
ても約10分以内と、アルミナ介在物の粒度分布の測定の
迅速化の要請に十分に応えることができる。

【００４４】

【発明の効果】この発明によれば、鋼中のアルミナ介在
物の粒径分布を正確に測定することができる。また、こ
の発明によれば、分析開始から終了までの所要時間を短
くすることができ、従来法より迅速に分析結果を得るこ
とができる。このため、深絞り鋼や軸受鋼のような清浄
鋼を精錬する場合に、その品質管理において特に有効で
あり、鋼製品の品質向上におおいに寄与することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 パルス放電により得られたパルス群を鉄元素
の発光スペクトル強度とアルミニウム元素の発光スペク
トル強度を座標としてパルスの分布状態を模式的に示し
たグラフである。

【図２】 本発明の実施例で得られた鋼塊ボトム部アル
ミナ介在物の粒度分布を示す図である。

【図３】 本発明の実施例で得られた鋼塊ミドル部アル
ミナ介在物の粒度分布を示す図である。

【図４】 従来の酸溶解抽出法で得られた鋼塊ボトム部
アルミナ介在物の粒度分布を示す図である。

【図５】 従来の酸溶解抽出法で得られた鋼塊ミドル部
アルミナ介在物の粒度分布を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 船曵 佳弘 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄鋼試料にパルス放電して得られる各パ
   ルス発光を時系列的に群化し、各群の各パルス発光を鉄
   元素の発光スペクトル強度とアルミニウム元素の発光ス
   ペクトル強度を座標としてプロットされたパルスの密集
   部のアルミニウム元素発光スペクトル強度側の上限を設
   定してこれを越えた異常値パルスの数を求め、この異常
   値パルス数の経時変化を予め求めておいた検量線と対比
   することを特徴とする、鉄鋼中に介在するアルミナの粒
   度測定方法