JPS5912348A - 金属溶湯中の水素ガス濃度測定装置 - Google Patents

金属溶湯中の水素ガス濃度測定装置

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JPS5912348A
JPS5912348A JP57122386A JP12238682A JPS5912348A JP S5912348 A JPS5912348 A JP S5912348A JP 57122386 A JP57122386 A JP 57122386A JP 12238682 A JP12238682 A JP 12238682A JP S5912348 A JPS5912348 A JP S5912348A
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hydrogen
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寺井 士郎
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Sakae Kato
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正也 今井
Susumu Inumaru
犬丸 晋
Masahiro Yoshida
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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    • GPHYSICS
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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】 本発明は金属溶湯中の水素ガス濃度測定装置に係り、特
に溶融状態にある金属、なかでもアルミニウム若しくは
その合金溶湯中の溶存水素濃度を直接測定し得る装置の
改良に関するものである。
従来より、アルミニウム若しくはアルミニウムa金等の
金属溶湯中に度解乃至は溶存する水素ガスが、かかる溶
湯の凝固の際に金属内部に気孔を発生せしめ、この気孔
が製品としての金属に神々の弊害を及ぼすことが知られ
ている。この気孔による弊害は、従来にあってはそれ程
問題とされていなかったのであるが、近年に至って製品
品質の高級化が進み、例えば熱間加工上程でアルミニウ
ム板表面に生した微小な「ふくれ」が、建4A川パネル
材として製品化される際のアルマイト等の表1r11処
理上程において、ピット状の欠陥を生したりして品質を
損うなどの問題が指摘されるようになってきてから、金
属溶湯中の溶存水素を除去する、所謂脱水素操作がこれ
まで以」二に重要な鋳造作業の一]、程となってきてい
る。
ところで、かかる脱水素操作はその操作に時間が長くか
かり、また必要以上の脱水素操作は製品のコストアップ
を招くところから、通常はその操作を行う前に予め金属
溶湯中の溶存水素濃度を測定し、その測定結果に基づい
て必要最小限の脱水素操作のみを施すのがよいとされて
いる。
面して、金属溶湯中の溶存水素濃度を測定する方法とし
ては、上記と同様の理由、即ち、その測定にザする時間
が短くて済むというとごろから、いる、所謂テレカス(
Telegas )法を採用するのが望ましいとされて
いるのである。
かかるテレガス法に用いられる水素ガス濃度測定装置、
所謂テレガス装置は、金属溶湯中に浸した2つの孔を有
する浸漬ヘッドの一方の孔から窒素等の不活性ガスを溶
湯内に送り込む一方、他方の孔でその不活性ガスを回収
し、その回収した不活性カスをポンプ、水素ガス濃度検
出器、浸漬ヘッドを介して1■び溶湯内に送り込むとい
う操作を繰り返すことによって、溶湯中の溶存水素濃度
に平衡した分圧の水素ガスを不活性ガス中に取り込むよ
うにした構成となっている。そして、このような不活性
ガスの再循環によって形成される水素ガスを含む混合ガ
スの熱伝導度を、前記水素ガス濃度検出器に設けた2つ
の検出セルのうちの一方ノセル(検出側)で熱線(フイ
ラメン]・)型演出素r−(金属抵抗ワイヤ)の抵抗変
化値として取り出す一方、他方のセル(対照側)内に不
活性ガス(この場合窒素)と熱伝導度のほぼ等しい空気
を常に拡散せしめて、そのセル内の熱線型検出素子の抵
抗値を一定値に保ってこれを基準値として取り出し、こ
れら2つの検出素子の抵抗値の差、即ち検出側の循環不
活性ガス中に占める水素分圧の大きさに基づく熱伝導度
の変化分、ひいては水素ガスの平衡分圧の大きさをブリ
ッジ回路で非平衡電流として取り出すようにしている。
そして、その電流値を(溶湯の温度に応じて予め作成さ
れた非平衡電流と溶湯中の水素ガス濃度との関係を示す
検針線と呼ばれるグラフで照合して水素カス濃度を算出
し、さらにこの値に各金属の種J1′1によって定まる
補正定数を乗じて金属溶湯中の溶存水素濃度を求めるよ
うにしている。
かかる構成の従来のテレガス装置によれば、溶湯状態の
金属から直接溶存水素濃度(水素ガス濃度)をγl11
1定できるため、その測定時間は、凝固した金属を試別
として水素ガス濃度を測定する他の方法に比べて短くて
済むのであるが、作業能率の面から見た場合には、いま
だ十分に短縮されているとは言い得なかったのである。
即ち、前記従来のテレカス装置にあっては、水素カス濃
度検出器の検出セルが黄銅等の金属ブロンクに穿たれた
孔をセル容器として直接利用した構成とされているため
、ブリッジ回路の2辺を構成する熱線型演出素r・と、
これらの素子を収容する金属ブロック、及びこの金属ブ
ロックの周囲の雰囲気との間が熱的平衡状態となるまで
にかなり時間がかかり、それ故ブリッジ回路の電流計の
指示値が安定して、金属溶湯中の水素ガス濃度を算出す
るまで比較的長時間を要したのである。
また、かかる装置にあっては、上記金属ブロックが周囲
の雰囲気の温度変化を受けた場合、その金属ブロックと
その内部に収容されている熱線型検出素子との間の熱平
衡状態がくずれて、ブリッジ回路の電流用の指示値が除
々に変化してしまうこととなるため、再度安定するまで
にかなりの時間を必要とするたけでなく、その都度電流
計の零点校正を行なわなければならないという問題点を
も内在していたのである。
本発明は、かかる事情を背景として為されたものであっ
て、その目的とするところは、測定時間か短く、しかも
周囲の雰囲気の温度変化によってその指示値が容易に変
fじしない、従って零点校正がそれ程必要でない金属溶
湯中の水素カス濃度測定装置を提供することにある。
そして、その目的を達成する為に、本発明にあっては、
金属溶湯中に浸漬され、循環せしめられる不活性ガスと
金属溶湯との接触を行なう浸漬ヘッドと;該ヘッドに接
続された、閉回路をt111成する不活性ガス流路を有
し、該流路を通じて不活性カスを繰り返し該浸漬ヘッド
に循環、流通せしめる不活性ガス循環機構と;前記不活
性ガス流路1;に設けられ、該流路内を流通せしめられ
る不活性カス中に含まれる水素ガス濃度に応じて変化す
る電気抵抗を検出する検出手段とを含む水素ガス濃度カ
11定装置において、該検出手段が、+)if記小浦1
11゜ガス流路に接続された、循環せしめられる水未含
有不活性ガスにさらされる電気抵抗ワイヤを収容した測
定セルを有すると共に、かかる測定セルの周囲に、それ
を取り巻くように真空層を設けるようにしたのである。
かかZ)tIIt成の本発明によれば、水素含有不活性
ガスにさらされる電気抵抗ワイヤを収容する測定セルの
周囲に真空層が設けられることにより、セル自体の熱容
爪を効果的に小さく為し得るとともに、該測定セルを、
検出手段を取り巻く雰囲気から熱的に遮断せしめ得るの
で、測定セルは周囲の雰囲気の温度変化の影響を殆んど
受けず、以て所定の温度値に速やかに安定することとな
り、これによって零点校正かはとんと不要で、しかも測
定時間が大幅に短縮された水素ガス濃度測定装置が得ら
れることとなったのである。そして、この測定時間の短
縮によって作業能率がより向上し、以て製品のコストダ
ウンを図ることが可能となったのである。
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、その
二、王の実施例を図面に貼づいて詳細に説明する。
先ず、第1図は本発明に係る水素ガス濃度測定装置の一
実施例を示す系統図であるが、図において、2はアルミ
ニウム或はアルミニウム合金等の金属溶湯4中に浸漬さ
れた2孔プローブ(浸漬ヘッド)であって、溶湯4中に
深く延び出させられた第1の孔6と、その」一方に設け
られ、該第1の孔6から吹き出される窒素やアルゴン等
の不活性カスの気泡を集めるようにしたスカート8と、
そのスカート8の内側」三方に開口された第20化lO
と、該スカート8内を仕切り、該第20孔10に導かれ
る不活性ガス気泡から溶湯を除仁該溶湯に対する諦れの
少ない、セラミックスなどからなるフィルタ11とを備
えたものである。この2孔プローブ2の各孔6及びlO
は、それぞれチューブI2及び14を介してダイヤフラ
ムポンプ16に接続されており、そのダイヤフラムポン
プ16及びデユープ12.14等によって構成されるイ
く活性ガス循環機構と前記溶湯4とともに、不活性カス
の閉流路を構成している。
すなわち、上記チューブ12及び14」−には逆上弁】
8及び20がそれぞれ設けられており、この逆上弁18
及び20によって、不活性カスか上記流路内を2孔プロ
ーブ2の第1の孔6から溶湯4内に吹き出す方向に流通
せしめられるようになっているのてあり、モータ22に
よるダイヤフラムポンプ16の作動によって、不活性ガ
スが前記閉流路内を繰り返し循環されるのである。
そして、この不活性ガスの循環の際、プローブ2の第1
の孔6から溶湯4中に吹き出された不活性カスは、溶湯
4中を気泡となってスカート8まて達するのであるが、
この間に溶湯4中に溶解されている水素が−1;配気泡
中に拡散するのであり、そして不活性ガスが前記閉流路
内を繰り返し循環せしめられることにより、不活性ガス
気泡中に拡散する水素の分圧が除々に上昇して、ついに
は溶湯4中に溶解されている水素濃度と平衡する分圧に
まで高められるのである。なお、水素は上記平衡分圧以
上には不活性ガス中に拡散することばないのである。
かかる平衡分圧に達した水素ガスを含む不活性カス、所
謂水素な有季活性カスは、そこに含有さねる水素ガスの
分圧に応じて熱伝導度か旨くなっているところから、こ
の熱伝導度の大きさをチューブ14上に設けられた水素
ガス濃度検出器24て検出するようにしているのである
この水素カス濃度検出?524は、例えば第2図に示さ
れるように、アルミニウム或は黄銅等の検出器ブロック
26に、水素含有不活性カスと空気のそれぞれの熱伝導
度を測定するための2つの検出部27.27が形成され
たベア構造とされており、各々の検出部27は検出器ブ
ロック26に形成されたシリンダ28内に更に測定セル
30が収容された2重構造とされている。
すなわち、第2図において、32′は断熱性材料からな
る円筒形状の第1シール部拐てあって、その内側空間下
部に、ステンレス等の金属材料からなる有底円筒形状の
セル容器34の開口部が嵌入接着せしめられるとともに
、その内側空間」、部にやはり断熱性4A判からなる第
2シール部4′A36が嵌め込まれており、かかる第1
シール部44’ 82が各シリング28の開LJ部に気
密に嵌入されて、シリンダ28内においてセル容器34
の内外に、JTに気密な空間であるカス拡散室38及び
真空室40を形成している。
一方の検出部27のガス拡散室38は、第1シール部イ
A32に形成された通孔42 (42a、、 421)
)を介して、水素含有不活性カスの流路であるチューブ
l 4.(14F1.14b )に接続されており、水
素含有不活性カスが一方のチューブ14E【から通孔部
分4221を通って該ガス拡散室38内上部を通過し、
他方の通孔部分421Jを通ってチューブ141)に流
出するようにされている。また、他方の検出部27のガ
ス拡散室38はデユープ44(44=1,44+1)に
よって外気に接続されており、測定セル30内には不活
性ガスと熱伝導度のほぼ等しい空気が充填されるように
な1つている。
そして、これらの拡散室38内、即ち測定セル30内に
、それぞれ拡散される気体(ガス)の熱伝導度の変化に
よって温度、即ち抵抗値が変化する白金等のワイヤから
なる熱線型演出素r−(電気抵抗ワイヤ)46が設けら
れ、水素含有不活性カス若しくは空気の熱伝導度を抵抗
値として検出するようにされているのである。なお、こ
の時、水素ガスの分圧が大きい程、水素カス含有イく活
性カスの熱伝導度が高く、熱線型抵抗素子・46はより
冷却されてその抵抗値が低くなるのであり、後述の非平
衡電流がより多く流されるのである。
また、本実施例にあっては、上記熱線型検出素子46は
、第2シール部材36からセル容器34内に向って延設
(垂下)された、アルミナ或はセラミックス等の非導電
性材料からなる中空パイプ(支持体)48の下端部で曲
げられ、その−力が該パイプ48内を通って、またその
他方が該パイプ48の外側1n1を−L方に向って巻き
(−Jけられて、共に第2シール部材36内を貫通して
設けられた白金線ステム46+L、461)に接続され
、これらの白金線ステム46a、46bが更に後述のウ
ィーンブリッジ回路50からの導!’J5ta、5th
並びに5je、51+Iにそれぞれ接続されているので
ある。
このように、電気抵抗ワイヤ(46)を支持体に巻きイ
]けて保持すれば、振動によって該電気抵抗ワイヤが中
間部で互に接触したり、セル壁に衝突したりして破損す
る等の問題を惹起する恐れがなくなり、寿命が長く且つ
検出値誤差の少ない測定セルが得られる利点がある。
−・方、各検出部27.27の真空室40は、検出器ブ
ロック26内でげに連通されており、予めそれら真空室
40に連通されるパイプ52に接続される図示しない真
空ポンプによって真空状態とされた後、図示しない真空
締付は具やろう付は等の公知の手段によって密封されて
いる。
かかる構造の水素ガス濃度検出器24て各々抵抗値に変
換された水素含有不活性ガス及び空気の熱伝導度は、第
1図に示されるように、ウィーンブリッジ回路50て比
較されて、それらの熱伝導度(抵抗値)の差に応した非
平衡電流として取り出され、この非平衡電流がウィーン
ブリッジ回路50に接続された演算処理回路54に送ら
れて、そこで所定の関係式によって演算・表示されるこ
とによって、測定した金属溶湯中の水素カス濃度(溶存
水素濃度)が即座に把握されるようになっている。なお
、56は溶湯4中に浸された熱電対てあって、Jl記演
算処理回路54に溶湯4の温度データを提供するもので
あり、また58は前記ウィーンブリッジ回路5o及び演
算処理回路54に電流を供給する定電圧(定電流)電源
回路である。
また、第1図において、6oは不活性ガスボンベであっ
て、該ボンベから所定の不活性ガス、例えば窒素ガスな
とがチューブ62を介して、水素ガス濃度検出器24と
逆止弁2oとの間のチューブ14部分に導入されるよう
になっている。なお、チューブ62上に設けられたスト
ッパバルブ64によって、該ボンベ6oがらの不活性ガ
スの供給が制御されるようになっているのである。
かかる構成の水素カス濃度測定装置によって金属溶湯4
中の水素濃度を測定する場合には、定電圧電源回路58
を作動した状態でストッパバルブ64を開き、ボンベ6
0内の不活性ガスを前記閉流路内に充填せしめた後、2
孔プローブ2を静かに溶湯4中に浸漬せしめ、その後ス
トツパバルブ64を閉じて流路内への不活性ガスの供給
を停止する。この時、熱電対56も溶湯4中に浸漬せし
め、演算処理回路54の指示値がOであることを確認す
る。指示値が0であることを確認した後、。
モータ22によってダイヤ7ラムボンプ16を作動せし
め、不活性ガスを前記閉流路内で繰り返し循環・流通せ
しめる。そして、演算処理回路54の指示値が安定した
ことを確かめ、その最終安定値を測定値として読み取る
のである。
以上説明したような本実施例によれば、測定セル30の
周囲に設けた真空室40によって、セル容器34が外気
から断熱されるとともに、セル容器34自体の熱容量が
効果的に小さくされているので、測定値が早く安定する
こととなり、以て測定時間が短縮されることとなったの
である。
因みに、本発明者らが実験した結果によれば、従来のテ
レガス装置による非平衡用カニψ(+nV)の経時的な
変化の状硅は、第3図に1点鎖線で示され、−力木実施
例の水素ガス濃度測定装置による非平衡用カニψ(m 
V )の経時的変化状態は、第3図に実線で示されるも
のであった。第3図の実験結果から明らかなように、従
来のテレカス装置にあっては、測定開始後(検出器並び
にその(=J属回路の電源スィッチを投入後)24分紅
過した時点ても、その指示値はいまだ安定しておらす、
−力木実施例装置にあっては、測定開始後約10分て指
示値が安定(熱的平衡状態)となり、これによって、本
実施例に係る装置による金属溶湯中の水素ガス濃度の測
定時間が従来装置のそれに比べて極めて短縮されたこと
がオ)がる。
なお、上記非S(乙衡出カニψは、熱の輻射・対流が無
視できるものとして次式によって表わされる値である。
ここにおいて、■はウィーンブリッジ回路に供給される
直流電流、l(、「は水素含有不活性ガス流入側の電気
抵抗ワイヤの抵抗値、(lは同じく電気抵抗ワイヤの:
滞電係数、(・1°は同じく電気抵抗ワイヤの温度、(
・(コは測定セルの内壁温度、δは測定セル内の下均温
度における不活性ガスのみの熱伝導度λmに対する(水
素ガス流入による)熱伝導度の変化mΔλの比、rはR
[に対する空気流入側の電気抵抗ワイヤの抵抗値几の比
、Rrは記Nilの入力インピーダンスである。ただし
、2I1. r > 1.1、f −1−1,Lの関係
があるものとする。
また、本実施例では水素ガス濃度検出器24を第2図に
示すような構成としたが、これに限ら゛れるものではな
く、第4図及び第5図に示されるような(Iη成のもの
であっても何等差支えない。
すなわち、第4図に示される水素ガス濃度検出器66の
測定セル67は、第1シール部材68に形成されたシリ
ンダ28の内外を連通ずる通孔70に、チューブ14a
、14bとチューブ72a。
721)が内外からそれぞれ気密に挿入・接着されると
ともに、チューブ7221.721+の他端がセル容器
34の下!71M部においてカス拡散室38にそれぞれ
接続された構成とされており、M拡散室38の下部から
」一方に向って水素カスが拡散せしめられるようになっ
ているのである。なお、他の缶ζ分の構成は前記実施例
と同じであるため、同一の初号を符して詳細な説明は省
略する。
また、第5図に示されるものにあっては、各測定セルフ
4は金属管76を外商とするシリング28内に収容され
ており、また各金属管76は溶接によってパイプ52に
直接取りイ」けられている。
そして各チューブ14)1.1411は、金属管76の
側壁に設けられた穴及び第1シール部4:A’ 78に
形成された通孔80を介してガス拡散室38の−1一部
に接続されているのである。なお、中空パイプ48はそ
の上端部が直接外部雰囲気中に突出されているが、その
内部空間は接着材等によって気密に保たれている。
この第5図に示されるような構成の水素ガス濃度検出器
82は、金属管76を直接シリンダ28として使用でき
るのでコンパクトに構成することがiげ能てあり、恒温
槽内に配置する場合により効果的である。
なお、011例においては、本発明を何れも拡散式の水
素ガス濃度検出器に適114シた場合についてのみ説明
したが、半拡散式或は流通式の水素カス濃度検出器につ
いても本発明の適用が可能である。
その他、本発明に係る水素ガス製産測定装置にあっては
、特許317求の範囲に記載した本発明の趣旨を逸脱し
ない範囲内において、種々の変形・修正を施した態様で
実施することが可能である。例えば、演算処理回路54
を使用せずに、従来通り測定した不下衡電流を検@線で
照合して金属溶湯中の水素ガス濃度を算出するようにし
てもよりのであり、また、ダイヤフラムポンプ16を駆
動するのに、モータ22の代わりに不活性ガスを弁機構
で制御して駆動するようにしてもよいのである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る水素ガス濃度測定装置の一実施例
を示す系統図であり、第2図はその装置に使用される水
素ガス濃度検出器の−・例を示す要部断面図である。 第3図は第2図に示される水素ガス濃度検出器並びに従
来のテレガス装置を用いて金属溶湯中の水素ガスを測定
した場合の実験結果を非ゝ1を所出カニψの経時的な変
化状態として示すものである。 第4図並びに第5図は、それぞれ本発明装置に使用され
る水素ガス濃度検出器の別の例を示す要部断面図である
。 2:2孔プローブ   4:金属溶湯 16:ダイヤフラムポンプ 22:モータ 24.66°、82:水素カス濃度検出器26:検出器
ブロック 27:検出ぽ;÷28ニジリンダ 80.67.74:測定セル 32.68.78:第1シール部材 34:セル容器    36:第2シール部利38:カ
ス拡散室   40:真空室 46:熱線型検出素子 48:中空パイプ50:ウィー
ンブリッジ回路 54:演算処理回路  56:熱電対 76:金属管 1.1 ! W1!口人  1.1:友1県金属−[業
株式会社第1図 一一峙P、FJ  (分) 第1頁の続き 0発 明 者 犬丸晋 名古屋市港区千年三丁目1番12 号住友軽金属工業株式会社技術 研究所内 0発 明 者 吉田政博 名古屋市港区千年三丁目1番12 号住友軽金属工業株式会社技術 研究所内 手続?fli +l・FF(自発) 昭和157年9月Q4)  日 特許庁長官 若杉 和犬 殿 2、発明の名称 金1.バ18湯中の水素ガス濃度測定装置3 、補11
をする者 事件との関係   特許出願人 名称  (227)住友軽金属工業株式会社4、代理人
←450 住 所 名占j≠市中村区名駅三I目14番16号東洋
ビル (1,1明細書の発明の詳細な説明の欄(2)  明細
書の図面の簡単な説明の欄(3)図面 6、輔1Fの内容 +11  明細書第13I第19〜20行、同第14自
。 17〜18行、同第148.第20行、同第15p第7
〜8打及び同第171第2()行の1ウイ一ンブリツジ
回路1をそれぞれ1ホイ一トストンブリツジ回路」に訂
正する。 (2)同 第19良第15〜18行の1なお、・・・・
保たれている。」を−ト記の如く訂正する。 記 [なお、中空パイプ48はその上端部が栓部材で塞がれ
て、その内部空間が外部雰囲気に対して気密に保たれζ
いる。」 (3)同 第208第7行と第8行との間に改行し7て
一ト記の文を挿入する。 記 lまた、前記実施例においては、比較の基準とされる測
定セル側は全て大気に開放されていたが、もちろんこれ
に限られるものではなく、人気の代りに水素ガス濃度測
定用の不活性ガスと同じ不活性ガスが水素濃度測定用の
閉回路流路とは別の閉回路流路によって測定セル内に供
給されるようになってい“(もよいのである。要するに
基準用の測定セル側には水素ガス濃度測定用の不活性ガ
スと同じ熱伝導度を有する気体が供給されればよく、こ
れによって基準となる熱伝導度が検出されるようになっ
ていればよいのである。、1 (4)同 第22良第1行の[゛ウィーン19フ9回路
1を1ホイ一トストンブリツジ回路」に訂正する。 (5)図面中、第1図を別紙の如く訂正する。 以上

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)  金属溶湯中に浸漬され、循環せしめられる不
    活性ガスと金属溶湯との接触を〒j゛なう浸漬ヘッドと
    ;該浸漬ヘッドに接続された、閉回路を構成する不活性
    ガス流路を有し、該流路を通して不活性ガスを繰り返し
    該浸漬ヘットに循環、流通せしめる不活性カス循環機構
    と、前記不活性ガス流路」二に設けられ、該流路内を流
    通せしめられる不活性カス中に含まれる水素カス濃度に
    応して変化する電気抵抗を検出する検出手段とを;含む
    水素ガス濃度711IJ定装;6において、該検出手段
    が、前記不活性ガス流路に接続された、循環せしめられ
    る水素含有不活性カスにさらされる電気抵抗ワイヤを収
    容したil!!I定セルを佇すると共に、かかる測定セ
    ルの周囲に、それを取り巻くように真空層が設けられて
    いることを特徴とする金属溶湯中の水素カス濃度測定装
    置。
  2. (2)前記電気抵抗ワイヤが、前記測定セル内に挿入さ
    れた支持体に巻き(=Jけられて保持されている特許請
    求の範囲第1項記載の装置。
  3. (3)前記測定セルが所定のブロックに設けられた孔に
    装着され、そして鎖孔に接続された真空手段の真空作用
    によって、前記真空層が、鎖孔の内壁面と該測定セル外
    側面との間に形成される特許請求の範囲第1項または第
    2項記載の装FC6
  4. (4)前記測定セルが二重筒構造の内筒部材を構成し、
    該内筒部tAとその外側に位置する外筒部材との間の空
    間が前記真空層とされた特許請求の範囲第1項または第
    2項記載の装置。
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