JPH0731180B2 - Method and apparatus for diffusible hydrogen fractionation in molten metal - Google Patents

Method and apparatus for diffusible hydrogen fractionation in molten metal

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JPH0731180B2
JPH0731180B2 JP62249379A JP24937987A JPH0731180B2 JP H0731180 B2 JPH0731180 B2 JP H0731180B2 JP 62249379 A JP62249379 A JP 62249379A JP 24937987 A JP24937987 A JP 24937987A JP H0731180 B2 JPH0731180 B2 JP H0731180B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、溶融金属の精錬プロセスにおける水素分析方
法および装置に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method and an apparatus for analyzing hydrogen in a refining process of molten metal.

精錬過程の溶融金属中の水素分析は、精錬プロセスの工
程管理や品質管理に重要である。例えば、製鉄業では、
転炉での脱炭の次行程である真空脱ガス処理工程におい
て、溶鋼中の水素分析を行うことにより脱水素処理の工
程管理および品質管理を行っている。
Analysis of hydrogen in molten metal during refining process is important for process control and quality control of refining process. For example, in the steel industry,
In the vacuum degassing process, which is the next step of decarburization in the converter, the process control and quality control of the dehydrogenation process are performed by analyzing the hydrogen in the molten steel.

(従来の技術) 溶融金属中の水素分析には、溶融金属を採取したサンプ
ラー中に捕集された水素ガスを、通常熱伝導度を検出す
るガスクロマトグラフィーによって定量する方法が採用
されている。この方法は、サンプラーに採取した溶融金
属中の水素を予め減圧にしてある真空室へ拡散させ、こ
の真空室へヘリウム、窒素、アルゴン等の不活性ガスを
キャリアーガスとして送り込み、真空室に捕集されてい
た溶融金属中の水素を分離カラムに導入して水素を他の
成分と分離し、次に熱伝導度検出器へ導入して水素の定
量を行うものである(参考文献:新実験化学講座9,分析
化学(II)3.1ガスクロマトグラフィーp60〜71)。
(Prior Art) For the analysis of hydrogen in molten metal, a method of quantifying the hydrogen gas collected in a sampler in which the molten metal is collected is usually adopted by gas chromatography that detects thermal conductivity. In this method, hydrogen in molten metal sampled in a sampler is diffused into a vacuum chamber that has been depressurized in advance, and an inert gas such as helium, nitrogen, or argon is sent to this vacuum chamber as a carrier gas and collected in the vacuum chamber. The hydrogen contained in the molten metal was introduced into a separation column to separate the hydrogen from other components, and then introduced into a thermal conductivity detector to quantify the hydrogen (Reference: New Experimental Chemistry). Course 9, Analytical Chemistry (II) 3.1 Gas Chromatography p60-71).

従来の分析で用いられている熱伝導度検出器は次のよう
なものである。タングステン等でできた感度素子及び補
償素子に一定電流を通じて加熱しておき、ヘリウム等の
キャリアーガスのみが流れている時は、両素子からは一
定の速度で熱がキャリアーガス中に奪われて両素子は定
常的な温度を保っている。次にキャリアーガス中に熱伝
導度の異なるガス成分が混入してくるとこの定常状態は
破られ、感度素子の温度が変化し、感度素子の抵抗変化
がホイートストンブリッジ回路で測定され試料ガス中の
水素量が求められる(上記参考文献p68〜69)。
The thermal conductivity detector used in conventional analysis is as follows. When a sensitive element and a compensating element made of tungsten or the like are heated by a constant current and only a carrier gas such as helium is flowing, heat is removed from the two elements at a constant rate into the carrier gas. The element maintains a constant temperature. Next, when gas components with different thermal conductivities are mixed in the carrier gas, this steady state is broken, the temperature of the sensitivity element changes, and the resistance change of the sensitivity element is measured by the Wheatstone bridge circuit. The amount of hydrogen is determined (references p68-69 above).

(発明が解決しようとする問題点) 従来の技術である熱伝導度検出器を用いるガスクロマト
グラフィーを本発明の目的に適用した場合には次のよう
な問題がある。(1)熱伝導度検出器は選択性をもたな
いために溶融金属サンプラー中に拡散させて捕集したガ
ス試料は、予め分離カラムを通して他のガス成分から水
素を分離する必要がある。(2)ガス試料中の各成分を
分離するために分析所要時間が長くなる。(3)熱伝導
度検出器はその原理に熱の授受が基本となるために、±
0.1℃程度の厳密な温度制御が必須となる。(4)熱伝
導度検出器内には、通常加熱したタングステンなどの金
属フィラメントを内蔵しているために、燃焼酸化による
損耗防止キャリアガスに例えば空気など酸化性ガスを使
用することができない。(5)溶融金属の脱ガス処理工
程管理には、定量感度・精度が不足する。
(Problems to be Solved by the Invention) When the conventional gas chromatography using a thermal conductivity detector is applied to the object of the present invention, there are the following problems. (1) Since the thermal conductivity detector does not have selectivity, the gas sample diffused and collected in the molten metal sampler needs to separate hydrogen from other gas components through a separation column in advance. (2) The time required for analysis is long because each component in the gas sample is separated. (3) Since the principle of the thermal conductivity detector is to transfer heat,
Strict temperature control of about 0.1 ° C is essential. (4) Since the thermal conductivity detector contains a metal filament such as normally heated tungsten, it is impossible to use an oxidizing gas such as air as a carrier gas for preventing wear due to combustion oxidation. (5) Quantitative sensitivity and accuracy are insufficient for controlling the degassing process of molten metal.

上記問題点を要約するならば、従来の熱伝導度検出器を
溶融金属中の拡散性水素分析に適用するには、分析所要
時間がかかり過ぎ、定量感度・精度の向上が必要で、か
つ通常は空気など酸化性ガスをキャリアガスに使用でき
ない不便があるということになる。
To summarize the above problems, applying a conventional thermal conductivity detector to the analysis of diffusible hydrogen in molten metal requires too much time for analysis, and it is necessary to improve quantitative sensitivity and accuracy. Means that there is an inconvenience that an oxidizing gas such as air cannot be used as a carrier gas.

本発明は、前述のような問題点を解決することにより、
構造が極めて簡単で小型で安価でしかも実用上便利な溶
融金属中の拡散性水素の分析方法および装置を提供する
ものである。
The present invention, by solving the problems as described above,
(EN) A method and an apparatus for analyzing diffusible hydrogen in molten metal, which has an extremely simple structure, is small and inexpensive, and is practically convenient.

(問題点を解決するための手段) 本発明は、溶融金属中の水素を分析する場合に、従来の
熱伝導度検出器にかわって半導体式水素ガス検出器を採
用した点に特徴があり、その要旨とするところは下記の
とおりである。
(Means for Solving Problems) The present invention is characterized in that a semiconductor-type hydrogen gas detector is adopted in place of the conventional thermal conductivity detector when analyzing hydrogen in molten metal. The main points are as follows.

(1)溶融金属を採取後冷却して溶融金属中に含まれて
いた水素を拡散させて捕集するサンプラーを用いて溶融
金属中の拡散性水素を定量する分析方法において、10%
から21%の一定濃度の酸素を含み、除湿処理を施した気
体をキャリアガスとして用い、前記サンプラー中に捕集
される拡散性水素ガスを、ガス試料導入管および同出口
管を備え内部に半導体式水素ガス検知素子を設置し、か
つ恒温室内に収納した測定セル中に一定流量で送り込
み、サンプラー中に捕集された拡散性水素濃度を求める
ことを特徴とする溶融金属中の拡散性水素分析方法。
(1) 10% in the analysis method for quantifying diffusible hydrogen in a molten metal by using a sampler that collects the molten metal by cooling the molten metal after cooling
To 21% of oxygen at a constant concentration and subjected to dehumidification treatment as a carrier gas, the diffusible hydrogen gas trapped in the sampler is provided with a gas sample introduction pipe and an outlet pipe inside the semiconductor. Diffusible hydrogen analysis in molten metal, characterized by installing a hydrogen gas detection element and sending it at a constant flow rate into a measuring cell housed in a temperature-controlled room to determine the concentration of diffusible hydrogen trapped in the sampler Method.

(2)10%から21%の一定濃度の酸素を含むキャリアガ
ス供給源、ガス除湿器、ガス流量制御器よりなるキャリ
アガス供給部および標準水素ガスボンベ、標準水素ガス
計量器よりなる標準ガス供給部を、キャリアガス導入口
およびキャリアガス排出口を設けたサンプラー収納チャ
ンバーよりなるサンプラー収納部に細管で接続し、同サ
ンプラー収納部の次に拡散性水素ガス導入管および同出
口管を備え内部に半導体式水素ガス検知素子を設置し、
かつ恒温室内に収納した測定セル部を細管で接続し、同
セル部には電源装置、データ処理装置を備えたことを特
徴とする溶融金属中の拡散性水素分析装置。
(2) Carrier gas supply unit consisting of a carrier gas supply source containing a fixed concentration of 10% to 21% oxygen, a gas dehumidifier, a gas flow controller, a standard hydrogen gas cylinder, and a standard gas supply unit consisting of a standard hydrogen gas meter. Is connected to a sampler storage part consisting of a sampler storage chamber having a carrier gas inlet and a carrier gas outlet with a thin tube, and next to the sampler storage part, a diffusible hydrogen gas inlet pipe and an outlet pipe are provided, and a semiconductor is provided inside. Installed hydrogen gas detection element,
An analyzer for diffusible hydrogen in molten metal, characterized in that the measuring cell section housed in a thermostatic chamber is connected with a thin tube, and the cell section is equipped with a power supply device and a data processing device.

以下、本発明を詳細に説明する。Hereinafter, the present invention will be described in detail.

半導体式ガス検知器(参考文献:「半導体センサーの知
能化」編集・発行所、ミマツデータシステム,p165〜18
6)は、SnO2などの金属酸化物半導体表面に吸着した酸
素が、供給されてきた水素などの還元性ガスと反応して
脱離することにより、その電気伝導度が変化することを
利用してガス濃度を検出するものである。従って、前述
したように、供給される試料ガスによって加熱された感
度素子の熱が奪われることにより、その電気抵抗が変化
することを利用してガス濃度を検出する熱伝導度検出器
とは原理的に異なるものである。通常、半導体式ガス検
知器の中でも水素ガス検知器は、SnO2などの金属酸化物
の半導体表面に分子ふるい機能をもたせる目的でSiO2
膜を蒸着するなどによって、エタノールや一酸化炭素な
ど水素分子より大きな還元性ガス分子を表面で遮断し、
選択性をもたせた半導体式水素ガス検知素子を用いたも
のである(参考文献:上記参考文献,p184)。尚、この
半導体式水素ガス検知素子は、対象とするガスの吸脱着
を速め、再現性を得るために300〜400℃の高温状態を維
持し、酸素の供給が必要である。
Semiconductor gas detector (Reference: "Intelligence of semiconductor sensors" editor / publisher, Mimatsu Data System, p165-18
6) takes advantage of the fact that oxygen adsorbed on the surface of a metal oxide semiconductor such as SnO 2 reacts with the reducing gas such as supplied hydrogen and is desorbed to change its electrical conductivity. To detect the gas concentration. Therefore, as described above, the principle of the thermal conductivity detector that detects the gas concentration by utilizing the fact that the heat of the sensitive element heated by the supplied sample gas is taken away and the electrical resistance changes Are different. Usually, among semiconductor gas detectors, hydrogen gas detectors use hydrogen molecules such as ethanol and carbon monoxide by vapor-depositing a SiO 2 film for the purpose of having a molecular sieving function on the semiconductor surface of metal oxides such as SnO 2. Block larger reducing gas molecules at the surface,
It uses a semiconductor-type hydrogen gas sensing element having selectivity (reference: the above-mentioned reference, p184). In addition, this semiconductor type hydrogen gas detection element needs to maintain a high temperature state of 300 to 400 ° C. and supply oxygen in order to accelerate adsorption / desorption of a target gas and obtain reproducibility.

これまでガス検知器は、予め設定しておいた対象ガス濃
度のボーダーラインを越えた場合に警報を発するなどの
使われ方をしており、本発明のように厳密なガスの定量
分析を目的としていなかった。本発明は厳密な水素分析
に上述のような半導体式水素ガス検知素子を新規に採用
し、強制的に制御したキャリアガスの流れによりガス試
料を導入するなど一定条件下での測定による定量精度向
上、あるいは分離カラムの省略、検知素子の設置雰囲気
の温度制御条件の緩和、キャリアガスに空気の利用等に
よる装置構造の簡素化、分析操作の簡易化、実用性の大
幅向上などを達成したものである。
Up to now, the gas detector has been used such as issuing an alarm when the preset border line of the target gas concentration is exceeded, and the purpose is to carry out a strict quantitative analysis of gas as in the present invention. I didn't. The present invention newly adopts the semiconductor type hydrogen gas detecting element as described above for strict hydrogen analysis, and introduces a gas sample by the flow of the carrier gas that is forcibly controlled. Alternatively, omission of a separation column, relaxation of temperature control conditions for the atmosphere in which the detection element is installed, simplification of the device structure by using air as a carrier gas, simplification of analytical operation, and significant improvement in practicality have been achieved. is there.

第1図に示す本発明の実施例装置および第2,第3図に示
す本発明装置に用いた検出器の特性の測定結果などをも
とに本発明の構成、作用について説明する。第1図に示
す本発明装置は、キャリアガス供給部、標準ガス導入
部、サンプラー収納部、測定セル部および分析結果表示
部等を主体に構成される。キャリアガス供給部はエアー
ポンプ1、除湿器14、ガス流量制御器3から構成され
る。キャリアガスには、酸素を体積百分率で10%以上含
む気体が適している。20.9%の酸素を含む空気を加圧ポ
ンプないしはボンベによって供給するのが最も容易で便
利であるが、もちろんアルゴンや窒素に酸素を10%以上
混合した気体を用いてもよい。本発明に用いた半導体式
水素ガス検知素子に、酸素を段階的に数10%までを含
み、水素を500ppm含むアルゴンベースのガスを一定流量
で供給し、検知素子の酸素濃度特性を調べた。第2図に
は、記録計による測定チャートを示した。酸素濃度が15
%の時は、検知素子による水素の検出の応答速度も速
く、短時間で一定出力を示し、水素を含まずに酸素15%
を含むアルゴンガスに切替えた場合も出力は速やかにも
とのベースラインに戻った。酸素濃度が7.5%の場合
は、応答性はやや低下し、出力がベースラインに戻る速
さも低下した。更に酸素濃度を3.3%に下げた場合に
は、酸素濃度の不足から検知素子での脱吸着に水素の一
部のみしか関与できなくなるために応答性は速くなるも
のの低値を示して定量を不能とし、又出力がもとのベー
スラインに戻るのに非常に長い時間を必要とした。第3
図には、一度水素を検知して示した出力が、水素を含ま
ない酸素混合アルゴンガスの供給した時点からもとのベ
ース出力に戻るまでに要した時間をプロットした。第3
図に示すように酸素濃度が10%を境にそれ以下では極端
に長時間を要した。これらの検討結果から本発明に用い
た半導体式水素ガス検知器に試料ガスを送り込むキャリ
アガスの組成は、酸素を10%以上含む窒素、ヘリウム、
アルゴン等の気体が適切であることが明らかである。も
ちろん、酸素100%の気体でも不都合はない。しかし、
図3に示した実験結果からも分かるように、キャリアガ
ス中の酸素濃度を10%以上にすればベース出力に戻る時
間はほぼ一定になるので、実際上はこれらの組成のキャ
リアガスを準備したりする手間や経済性を考えれば、体
積百分率で酸素を20.9%含む空気が最も便利である。し
たがって、キャリアガス中の酸素濃度は10%から21%の
範囲にするのが適当である。又、キャリアガス中の酸素
濃度が変ると水素ガスが存在しない場合でも、検知器の
抵抗値が変化する。これは本検知素子への酸素吸着が抵
抗値を直接支配していることを証明しており、キャリア
ガス中の酸素濃度は10%から21%の一定濃度にすると共
に流量がその都度変ってしまっては水素定量が困難とな
るのでガス流量制御器3により常に一定流量で供給す
る。又、半導体式水素ガス検知素子は気体の湿度に敏感
に反応する。これは湿度が半導体の抵抗値を下げるよう
な形で吸着するためと考えられており、シリカゲルやモ
レキュラシーブを充填したカラムから成る除湿器14を通
すことによって除湿、乾燥する必要がある。
The configuration and operation of the present invention will be described based on the measurement results of the characteristics of the detector used in the apparatus of the present invention shown in FIG. 1 and the apparatus of the present invention shown in FIGS. The apparatus of the present invention shown in FIG. 1 mainly includes a carrier gas supply unit, a standard gas introduction unit, a sampler storage unit, a measurement cell unit, an analysis result display unit, and the like. The carrier gas supply unit includes an air pump 1, a dehumidifier 14, and a gas flow rate controller 3. As the carrier gas, a gas containing 10% or more by volume of oxygen is suitable. It is easiest and most convenient to supply air containing 20.9% oxygen by a pressure pump or cylinder, but of course, a gas in which 10% or more oxygen is mixed with argon or nitrogen may be used. The oxygen concentration characteristic of the detection element was investigated by supplying an argon-based gas containing oxygen up to several tens of percent and 500 ppm of hydrogen at a constant flow rate to the semiconductor-type hydrogen gas detection element used in the present invention. FIG. 2 shows a measurement chart by the recorder. Oxygen concentration is 15
When it is%, the response speed of hydrogen detection by the detection element is also fast, it shows a constant output in a short time, oxygen is 15% without hydrogen.
Even when the gas was switched to an argon gas containing, the output quickly returned to the original baseline. When the oxygen concentration was 7.5%, the response was slightly reduced, and the speed at which the output returned to the baseline was also reduced. Furthermore, when the oxygen concentration is lowered to 3.3%, only a part of hydrogen can participate in desorption at the sensing element due to lack of oxygen concentration, so the response becomes faster, but a low value is shown and quantification is impossible. It also took a very long time for the output to return to the original baseline. Third
In the figure, the time required for the output once hydrogen was detected to return to the original base output from the time when the oxygen-mixed argon gas containing no hydrogen was supplied was plotted. Third
As shown in the figure, when the oxygen concentration was below 10%, it took an extremely long time below that. From these examination results, the composition of the carrier gas for feeding the sample gas to the semiconductor hydrogen gas detector used in the present invention is nitrogen containing 10% or more of oxygen, helium,
Obviously, a gas such as argon is suitable. Of course, 100% oxygen gas does not cause any problems. But,
As can be seen from the experimental results shown in FIG. 3, when the oxygen concentration in the carrier gas is set to 10% or more, the time to return to the base output becomes almost constant. Therefore, in practice, prepare carrier gases with these compositions. Considering the labor and cost, it is most convenient to use air containing 20.9% oxygen by volume. Therefore, it is suitable that the oxygen concentration in the carrier gas is in the range of 10% to 21%. Further, when the oxygen concentration in the carrier gas changes, the resistance value of the detector changes even if hydrogen gas does not exist. This proves that the oxygen adsorption to this sensing element directly controls the resistance value, and the oxygen concentration in the carrier gas changes from 10% to 21% and the flow rate changes each time. However, since it becomes difficult to quantify hydrogen, the gas flow rate controller 3 always supplies a constant flow rate. Further, the semiconductor type hydrogen gas detecting element is sensitive to the humidity of the gas. It is considered that this is because the humidity adsorbs in such a manner as to reduce the resistance value of the semiconductor, and it is necessary to dehumidify and dry by passing through a dehumidifier 14 composed of a column packed with silica gel or molecular sieve.

標準ガス導入部は、標準水素ガスを充填したボンベ2か
ら標準水素ガスを計量器5へ供給し、一定量を計量する
働きをする部分である。標準水素ガスの一定量をサンプ
リングコイル等によって計量が終ると流路切替器4の作
動により、キャリアガスが標準水素ガスを測定セル7へ
送り込む。この時に得られる検知素子の出力信号量と導
入した標準水素量との相関関係を求めておき、実際の溶
融金属サンプラーで捕集したガス試料による出力信号量
を代入して試料中の水素濃度を求める。
The standard gas introduction section is a section that supplies standard hydrogen gas from the cylinder 2 filled with standard hydrogen gas to the meter 5 and measures a fixed amount. When a fixed amount of standard hydrogen gas is measured by a sampling coil or the like, the flow path switch 4 is actuated so that the carrier gas sends the standard hydrogen gas to the measuring cell 7. Obtain the correlation between the output signal amount of the sensing element obtained at this time and the standard hydrogen amount introduced, and substitute the output signal amount of the gas sample collected by the actual molten metal sampler to determine the hydrogen concentration in the sample. Ask.

サンプラー収納部6は、キャリアガス供給部および標準
ガス導入部と測定セル部の中間に配置され、サンプラー
内に捕集したガス試料を測定セル7へキャリアガスによ
って送り込むために、キャリアガス導入口と排出口が設
けられている。溶融金属の水素サンプラーには、いくつ
かの種類があるが、溶鋼の水素サンプラーの一例を第4
図に示す。これは薄鋼板からなる細鋼管15の内部に溶鋼
を一定の棒状に凝固させる導管16を収め、真空にして封
じた先端17を溶鋼に浸漬し、先端17を溶損することによ
り導管16内に溶鋼を吸引したのち、緩冷却して溶鋼中の
水素を完全に放出させ真空室18に捕集するものである。
この薄鋼板製の細鋼管15先端17および真空室18に相当す
る部分を破砕可能な石英ガラスで製作したものも使われ
ている。前者の鋼製サンプラーの収納部6を第5図に、
後者の石英ガラス製サンプラーの収納部6を第6図に示
した。第5図に示した鋼製サンプラーの場合は、サンプ
ラーを収納チャンバー22に挿入し、細鋼管15の外壁をオ
ーリング20で締め込んで密閉状とし、採取した溶鋼19か
ら放出した水素が捕集されている真空室18に、キャリア
ガス導入管および同排出管と接続する金属針を差し込ん
でキャリアガスを導入し、水素を測定セル7へ送り込
む。第6図に示したガラス製サンプラー21の場合は、サ
ンプラー21を収納チャンバー22に入れてふた23をし、キ
ャリアガスを第6図の矢印方向から導入して測定セル7
へ向けて排出するように一定流量で流しておき、駆動ネ
ジ26を回転することによってベローズ24および金属刃25
を押し下げてサンプラー21を破砕することによって捕集
されていた水素を測定セル7へ送り込む。
The sampler storage unit 6 is arranged in the middle of the carrier gas supply unit and the standard gas introduction unit and the measurement cell unit, and has a carrier gas introduction port for feeding the gas sample collected in the sampler to the measurement cell 7 by the carrier gas. A discharge port is provided. There are several types of molten metal hydrogen samplers, but an example of molten steel hydrogen sampler is
Shown in the figure. This is a thin steel pipe 15 made of thin steel plate, and a conduit 16 for solidifying the molten steel into a certain rod shape is housed in the molten steel, and a sealed tip 17 is immersed in the molten steel. Is sucked and then slowly cooled to completely release hydrogen in the molten steel and collect it in the vacuum chamber 18.
The thin steel tube 15 made of thin steel plate 15 and the portion corresponding to the vacuum chamber 18 made of crushable quartz glass are also used. The storage part 6 of the former steel sampler is shown in FIG.
The storage part 6 of the latter quartz glass sampler is shown in FIG. In the case of the steel sampler shown in FIG. 5, the sampler is inserted into the storage chamber 22, and the outer wall of the thin steel pipe 15 is tightened with the O-ring 20 to form a closed state, and the hydrogen released from the molten steel 19 collected is collected. A metal needle connected to the carrier gas introduction pipe and the discharge pipe is inserted into the vacuum chamber 18 to introduce the carrier gas, and hydrogen is sent to the measurement cell 7. In the case of the glass sampler 21 shown in FIG. 6, the sampler 21 is put in the storage chamber 22 and the lid 23 is covered, and the carrier gas is introduced from the direction of the arrow in FIG.
Flow it at a constant flow rate to discharge it toward the bellows 24 and the metal blade 25 by rotating the drive screw 26.
Is pressed down to crush the sampler 21, and the hydrogen collected is sent to the measuring cell 7.

測定セル部は、半導体水素ガス検知素子8を内蔵した測
定セル7および測定セルを収納する恒温室9から構成さ
れる。半導体水素ガス検知素子8は、前述したように金
属酸化物半導体表面にSiO2膜を蒸着し、電極とヒーター
用のイリジュウム−パラジウム合金などの導線を埋め込
んである。半導体にはSnO2の焼結体が主に用いられる
が、ZnOやTiO2などでもよい。この検知素子は本来、水
素,COなどの無機化合物、メタン,エタンなどの飽和鎖
式炭化水素、エチレン,プロピレンなどの不飽和式炭化
水素、ベンゼン、トルエンなどの環式炭化水素あるいは
アルコール類等を検出し、ほとんど選択性を持たない。
しかし、SiO2膜の蒸着処理を行って製造された水素ガス
検知素子8は水素測定における選択性にすぐれる。溶鋼
の水素サンプラーの場合、真空室18に捕集されるガスに
は水素以外にわずかなCOガスなどが共存する。水素ガス
検知素子8は、例えばCOが水素と同じ出力信号を得るに
は水素の500倍の濃度である必要がある。もしガス試料
中に共存する他の成分量が多く、水素定量に影響を受け
るような場合には、測定セル7の前に分離カラムを設置
する方法をとるのがよいが通常の場合は分離カラムを必
要としない。測定セル7の構造は、キャリアガスによっ
て運ばれてくるガス試料がとどこおることがなく速やか
に水素ガス検知素子8を通過できるように、内容積は極
力少なく、ガス試料導入管27と同排出管28を両端に備え
た円筒管形状のものが適している。前述したように水素
ガス検知素子8は常時300〜400℃に加熱されており、例
えば数100ml/min程度の一定流速のキャリアガスが常時
一定条件で、閉鎖系となった測定セル7中の検知素子8
にあたって通過するだけであるために、検知素子8の温
度は一定となる。通常、ガスクロマトグラフィーで水素
ガスの検出器として用いられる熱伝導度検出器は±0.1
℃のような厳密な温度制御条件に設置しなければならな
いのに比べ、本発明で用いる半導体水素ガス検知素子8
の場合は、設置される測定セル7の温度制御は格段とゆ
るやかでよい。しかし、本発明の目的は正確な水素の定
量分析であることから、測定セル7は±2〜3℃の精度
で制御する恒温室に設置している。
The measurement cell unit is composed of a measurement cell 7 having a semiconductor hydrogen gas detection element 8 built-in and a temperature-controlled room 9 accommodating the measurement cell. As described above, the semiconductor hydrogen gas detection element 8 has a SiO 2 film deposited on the surface of a metal oxide semiconductor, and a conductor such as an electrode and an iridium-palladium alloy for a heater is embedded therein. Although a sintered body of SnO 2 is mainly used as a semiconductor, ZnO, TiO 2 or the like may be used. This sensing element is originally intended to detect inorganic compounds such as hydrogen and CO, saturated chain hydrocarbons such as methane and ethane, unsaturated hydrocarbons such as ethylene and propylene, cyclic hydrocarbons such as benzene and toluene, and alcohols. Detects and has little selectivity.
However, the hydrogen gas detection element 8 manufactured by subjecting the SiO 2 film to vapor deposition has excellent selectivity in hydrogen measurement. In the case of a molten steel hydrogen sampler, a slight amount of CO gas and the like coexist in the gas collected in the vacuum chamber 18 in addition to hydrogen. In the hydrogen gas detecting element 8, for example, CO needs to have a concentration of 500 times that of hydrogen in order to obtain the same output signal as hydrogen. If the amount of other components coexisting in the gas sample is large and the amount of hydrogen is affected, it is advisable to install a separation column in front of the measurement cell 7. Does not need The structure of the measurement cell 7 is such that the gas sample carried by the carrier gas can pass through the hydrogen gas detection element 8 quickly without being overwhelmed and the internal volume is as small as possible. A cylindrical tube shape with 28 at both ends is suitable. As described above, the hydrogen gas detection element 8 is constantly heated to 300 to 400 ° C., and the carrier gas having a constant flow rate of, for example, several hundred ml / min is constantly detected under a constant condition in the closed measurement cell 7. Element 8
The temperature of the sensing element 8 is constant because it only passes through the contact. Normally, the thermal conductivity detector used as a detector of hydrogen gas in gas chromatography is ± 0.1
In contrast to having to be installed under a strict temperature control condition such as ° C, the semiconductor hydrogen gas detecting element 8 used in the present invention
In this case, the temperature control of the measuring cell 7 to be installed may be remarkably gentle. However, since the object of the present invention is accurate quantitative analysis of hydrogen, the measuring cell 7 is installed in a thermostatic chamber controlled with an accuracy of ± 2 to 3 ° C.

(実施例) 溶融金属サンプラーで溶鋼(5g)を採取し、第1図に示
した本発明装置を用いて溶鋼中の水素を定量した実施例
について述べる。最初にエアーポンプ1からシリカゲル
およびモレキュラシーブを充填した除湿器14を経由し、
流量制御器3で3.5l/minの流量に調整された空気をキャ
リアガスとしてサンプラー収納部6を経由して測定セル
7へ流通しておく。標準水素ガスボンベ2から流量制御
器3′を経てサンプリングコイルなどよりなる計量器5
で計量された一定量の標準水素ガスを、流路切換器4の
動作でキャリアガスの空気によってサンプラー収納部6
を経て測定セル7へ送り込む。この標準ガスを用いる操
作によって、水素濃度と検知素子8の出力信号との関係
を求めておく。次にサンプラー収納室22に溶融金属サン
プラーを収納し、キャリアガスの空気を流しながら駆動
ネジ26を作動させサンプラーを破砕し、サンプラー中に
捕集した水素ガスを約50℃に調整した恒温室9内の測定
セル7にガス試料導入管27から送り込む。ガス試料は電
源10と接続する検知素子8に接触して通過し、排出管28
より系外に排出される。数秒後に半導体水素検知素子8
の出力信号は増巾器13ないしはアッテネーターを経由
し、データ処理装置14に検出ピークの積分強度ないしは
ピーク高さが表示記録される。予めメモリーしてある標
準水素ガスと検知素子8の出力信号との関係式から溶鋼
試料中の水素濃度が算出・記録される。
(Example) An example in which molten steel (5 g) was sampled with a molten metal sampler and hydrogen in the molten steel was quantified using the apparatus of the present invention shown in FIG. 1 will be described. First, from the air pump 1 through the dehumidifier 14 filled with silica gel and molecular sieve,
Air adjusted to a flow rate of 3.5 l / min by the flow rate controller 3 is circulated as a carrier gas to the measurement cell 7 via the sampler housing section 6. Metering device 5 consisting of a standard hydrogen gas cylinder 2 and a flow controller 3 ', and a sampling coil etc.
A fixed amount of standard hydrogen gas measured by the above is supplied to the sampler storage part 6 by the air of the carrier gas by the operation of the flow path switching device 4.
It is sent to the measuring cell 7 via. The relationship between the hydrogen concentration and the output signal of the detection element 8 is obtained by the operation using this standard gas. Next, the molten metal sampler is stored in the sampler storage chamber 22, the drive screw 26 is operated while the air of the carrier gas is flowing to crush the sampler, and the hydrogen gas collected in the sampler is adjusted to about 50 ° C. The gas is introduced from the gas sample introduction pipe 27 into the measuring cell 7 inside. The gas sample comes into contact with and passes through the detection element 8 connected to the power source 10, and the exhaust pipe 28
Is discharged to the outside of the system. Semiconductor hydrogen detector 8 after a few seconds
The output signal of is passed through the amplifier 13 or attenuator, and the integrated intensity or peak height of the detected peak is displayed and recorded in the data processor 14. The hydrogen concentration in the molten steel sample is calculated and recorded from the relational expression between the standard hydrogen gas stored in advance and the output signal of the detection element 8.

製鉄設備である真空脱ガス装置の取鍋中のJISSS41相当
組成の溶鋼を採取して分析した結果の一例を表1に示し
た。表1は各水素濃度レベルの溶鋼の5回繰り返し定量
時の定量精度を併記した。定量精度は良好であり、従来
の熱伝導度検出−ガスクロマトグラフィーによる分析値
ともよく一致した。
Table 1 shows an example of the results obtained by collecting and analyzing molten steel having a composition equivalent to JIS SS41 in a ladle of a vacuum degassing apparatus that is an iron making facility. Table 1 also shows the quantitative accuracy when the molten steel at each hydrogen concentration level was repeatedly quantified 5 times. The quantification accuracy was good, and it was in good agreement with the analysis value by conventional thermal conductivity detection-gas chromatography.

また、本発明は定量感度は極めて高く、上述のようにキ
ャリアガス流量を3.5l/minのように大流量としてガス試
料を希釈して検知素子8に供給している。従って、キャ
リアガス流量を減少することにより感度を向上でき、従
来の熱伝導度検出器に比べ10倍以上の高感度であった。
検量線例を第7図に示す。
Further, the present invention has extremely high quantitative sensitivity, and as described above, the carrier gas flow rate is set to a large flow rate of 3.5 l / min to dilute the gas sample and supply it to the detection element 8. Therefore, the sensitivity can be improved by reducing the carrier gas flow rate, and the sensitivity is 10 times or more higher than that of the conventional thermal conductivity detector.
An example of a calibration curve is shown in FIG.

本発明による分析所要時間は30秒以内の短時間である
が、従来の熱伝導度検出−ガスクロマトグラフィーでは
約3分を要した。
The time required for the analysis according to the present invention is as short as 30 seconds or less, but it takes about 3 minutes in the conventional thermal conductivity detection-gas chromatography.

(発明の効果) 以上説明したように本発明は、従来一般に採用されてい
る熱伝導度検出ガスクロマトグラフィーに比べ溶融金属
中の拡散性水素の定量が極めて簡便になった。すなわ
ち、従来法に比べ、分離カラムが不要になり、検知素子
の雰囲気温度の制御条件の緩和が達成できたことで装置
が安価になり更に小型、簡単化され、メインテナンスを
含め装置の取扱いが非常に簡便になった。また、定量感
度、精度が向上して信頼性が高まり、短時間で分析でき
るようになった。更には、キャリアガスに酸素を含ませ
ることが可能になり、安価で扱い易い空気の利用が実現
した。これは、不活性ガスボンベが不要になり、装置が
携帯できるなど設置場所の制限がなくなり、分析コスト
の低減などメリットは大きい。
(Effects of the Invention) As described above, in the present invention, the quantification of diffusible hydrogen in molten metal has become extremely simple as compared with the gas chromatography with thermal conductivity detection that has been generally used conventionally. That is, compared to the conventional method, a separation column is not required, and the control conditions of the ambient temperature of the sensing element can be relaxed, so the device becomes cheaper, more compact and simple, and the handling of the device including maintenance is extremely difficult. It became easy. In addition, quantitative sensitivity and accuracy have been improved, reliability has been improved, and analysis has become possible in a short time. Furthermore, it became possible to include oxygen in the carrier gas, and the use of air that was cheap and easy to handle was realized. This eliminates the need for an inert gas cylinder, makes it possible to carry the device, and eliminates restrictions on the installation location, which is a great advantage in reducing analysis costs.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の実施例装置の全体の構成の説明図、第
2図,第3図は本発明装置の検出器の特性測定結果、第
4図は本発明で対象とする溶鋼中水素サンプラーの説明
図、第5図,第6図は本発明実施例装置のサンプラー収
納部の説明図、第7図(a),(b)はそれぞれ本発明
で得られた検量線例である。 1…エアーポンプ、2…標準ガスボンベ、3,3′…ガス
流量制御器、4…流路切換器、5…標準ガス計量器、6
…サンプラー収納部、7…測定セル、8…半導体水素ガ
ス検知素子、9…恒温室、10…電源装置、11…増巾器、
12…データ処理装置、13…分析結果表示器、14…除湿
器、15…細鋼管、16…導管、17…先端、18…真空室、19
…溶鋼、20…オーリング、21…ガラス製サンプラー、22
…サンプラー収納チャンバー、23…栓、24…ベローズ、
25…金属刃、26…駆動ネジ、27…ガス試料導入管、28…
ガス試料排出管。
FIG. 1 is an explanatory view of the overall configuration of the apparatus of the embodiment of the present invention, FIGS. 2 and 3 are the results of measuring the characteristics of the detector of the apparatus of the present invention, and FIG. 4 is the hydrogen in molten steel targeted by the present invention. FIGS. 5 (a) and 5 (b) and 6 (a) and 6 (b) are explanatory views of the sampler housing of the apparatus of the present invention, and FIGS. 7 (a) and 7 (b) are examples of calibration curves obtained in the present invention. 1 ... Air pump, 2 ... Standard gas cylinder, 3, 3 '... Gas flow rate controller, 4 ... Flow path switching device, 5 ... Standard gas meter, 6
... Sampler housing, 7 ... Measurement cell, 8 ... Semiconductor hydrogen gas detection element, 9 ... Constant temperature room, 10 ... Power supply device, 11 ... Magnifier,
12 ... Data processing device, 13 ... Analysis result display, 14 ... Dehumidifier, 15 ... Thin steel pipe, 16 ... Conduit, 17 ... Tip, 18 ... Vacuum chamber, 19
… Molten steel, 20… O-ring, 21… Glass sampler, 22
… Sampler storage chamber, 23… Stopper, 24… Bellows,
25 ... Metal blade, 26 ... Drive screw, 27 ... Gas sample introduction tube, 28 ...
Gas sample discharge pipe.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 戸澤 勇雄 東京都台東区台東1丁目6番6号 リケン 工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−138956(JP,A) 特開 昭56−31642(JP,A) 特開 昭58−158551(JP,A) 特開 昭49−29187(JP,A) 実開 昭59−113743(JP,U) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Yuuo Tozawa 1-6-6 Taito, Taito-ku, Tokyo Riken Kogyo Co., Ltd. (56) Reference JP 59-138956 (JP, A) JP 56 -31642 (JP, A) JP-A-58-158551 (JP, A) JP-A-49-29187 (JP, A) Actual development Sho-59-113743 (JP, U)

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】溶融金属を採取後冷却して溶融金属中に含
まれていた水素を拡散させて捕集するサンプラーを用い
て溶融金属中の拡散性水素を定量する分析方法におい
て、10%から21%の一定濃度の酸素を含み、除湿処理を
施した気体をキャリアガスとして用い、前記サンプラー
中に捕集される拡散性水素ガスを、ガス試料導入管およ
び同出口管を備え内部に半導体式水素ガス検知素子を設
置し、かつ恒温室内に収納した測定セル中に一定流量で
送り込み、サンプラー中に捕集された拡散性水素濃度を
求めることを特徴とする溶融金属中の拡散性水素分析方
法。
1. An analytical method for quantifying diffusible hydrogen in a molten metal by using a sampler for collecting and cooling the molten metal after diffusing and collecting hydrogen contained in the molten metal. A dehumidified gas containing a constant concentration of 21% oxygen was used as a carrier gas, and a diffusible hydrogen gas collected in the sampler was equipped with a gas sample introduction pipe and an outlet pipe, and a semiconductor type was used inside. A method for analyzing diffusible hydrogen in molten metal, which comprises installing a hydrogen gas detection element and sending it at a constant flow rate into a measuring cell housed in a temperature-controlled room to determine the concentration of diffusible hydrogen trapped in the sampler. .
【請求項2】10%から21%の一定濃度の酸素を含むキャ
リアガス供給源、ガス除湿器、ガス流量制御器よりなる
キャリアガス供給部および標準水素ガスボンベ、標準水
素ガス計量器よりなる標準ガス供給部を、キャリアガス
導入口およびキャリアガス排出口を設けたサンプラー収
納チャンバーよりなるサンプラー収納部に細管で接続
し、同サンプラー収納部の次に拡散性水素ガス導入管お
よび同出口管を備え内部に半導体式水素ガス検知素子を
設置し、かつ恒温室内に収納した測定セル部を細管で接
続し、同セル部には電源装置、データ処理装置を備えた
ことを特徴とする溶融金属中の拡散性水素分析装置。
2. A carrier gas supply unit comprising a carrier gas supply source containing a constant concentration of 10% to 21% oxygen, a gas dehumidifier, a gas flow controller, a standard hydrogen gas cylinder, and a standard gas comprising a standard hydrogen gas meter. The supply part is connected with a thin tube to a sampler storage part consisting of a sampler storage chamber with a carrier gas inlet and a carrier gas outlet, and next to the sampler storage part, a diffusible hydrogen gas inlet pipe and an outlet pipe are provided. A semiconductor-type hydrogen gas detection element was installed in the measurement cell, and the measurement cell section housed in a temperature-controlled room was connected with a thin tube, and the cell section was equipped with a power supply device and a data processing device. Hydrogen analyzer.
【請求項3】キャリアガス供給部が空気を加圧、供給す
るポンプないしは空気を充填したボンベ、空気除湿器、
空気流量制御器よりなる特許請求の範囲第2項記載の溶
融金属中の拡散性水素分析装置。
3. A carrier gas supply unit pressurizes and supplies air, a pump or a cylinder filled with air, an air dehumidifier,
An analyzer for diffusible hydrogen in molten metal according to claim 2, comprising an air flow controller.
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