JPS60231141A - 溶湯の温度及び化学組成を測定する方法 - 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、溶鋼及び溶融スラグの組成及び温度を溶解容
器中で測定する方法に関する。

従来技術： 金属を溶解し、精錬するか又は合金にするような乾式冶
金法の場合には、金属又はスラグのそれぞれの組成を、
試料を取り出し、この試料を化学的又は物、理的方法に
より選鉱することによって測定する方法のみがこれ１で
存在した。

物理的方法の場合には、例えば放射スペクトル分析又は
Ｘ線螢光分析によって選鉱した試料を試験し、この試料
の組成を測定した。

放射スペクトル分析の場合、元素は、例えばアーク光線
によって衝突位置で励起されて放射を発し、この場合に
は、放射スペクトルから試料中での個々の元素の割合を
推論することができる。この方法によれば、溶湯かもの
試料の取り出しは非連続的にのみ行なうことができかつ
試料の選鉱、運搬及び処理にはうまく行けば少なくとも
約５分間の時間が必要とされるので、必ずしも高価な生
産時間及びエネルギー費は必要でない。また、不利なこ
とに、試料を取り出す間に生じる変化により近似値のみ
を把握することが〒きるにすぎない。多くの場合には、
実際に所望される最終組成の十分に連中した確実性を得
るには得るが、しかし屡々溶湯は価を切り下げなければ
ならない。それというのも、この確実性は達成すること
ができないからである。

更に、非連続的に試料を塩９出す場合には、所望の組成
を正確に調節するために冶金的に費用のかかる後作業を
実施することが屡々必要であった。更に、冶金的目標を
達成するための最も好ましい操業を必ずしも一義的に決
定することができなかった。

少なくとも特定の時点でサブランスを用いて冶金操作の
経過中に洞察を行なうことは、既に試みられた。溶湯の
温度は、このようなサブランスを用いて測定することが
できる。同時に、試料を取り出し、その炭素含有量を停
点により冷却時に測定することができる。

しかし、このような装置を用いては、金属浴の温度及び
組成は、全操作の間に連続的に測定することができない
。また、試料の分析は、依然として実験室で行なわれな
ければならず、したがって試料の取り出しと、組成の認
識との間には久しく時が過ぎ去った。

また、溶融金属の連続的な温度測定を溶解るつは中で、
溶解容器の壁体を通じて案内される　□石英棒によって
溶湯の温度輻射を外向きに導出　１しかつ測定するよう
に実施することも提案された。このような測定は、短時
間で可能であった。しかし、短い運転時間後、石英棒の
溶湯に対向した表面は曇り、したがって他の放射はもは
や捕集することができず、金属浴の温度については結果
から原因をめて推論を行なった。

発明が解決しようとする問題点： 本発明の課題は、冶金的操作が経過する間に絶えず溶湯
の実際の組成及び温度に関する情報を供給する連続的方
法を実施することであり、その結果所望の最終組成を調
節するための手段をそのつどの組成及び温度により制御
することができるか又は必要な合金物質を意図的に調節
することができるであろう。

問題点を解決するための手段： この課題は、特許請求の範囲第１項記載の処理過程によ
って解決される。高い強度の光線として特に繋ルスレー
ザーの光線は、通路を介して溶湯の表面元素上にピント
合せされ、この連名は、溶湯中で不活性のガスを貫流さ
せ、かつ二の不活゛性ガスによって溶湯との空間を保持
する。全ての場合、この通路は、その中で光学的素子が
全く存在しないか又はこの通路中で光導波管又は光学的
窓がレーザー光線を溶湯上に導くことができる程度に配
置されるように形成されなければならない。この高い強
度の光線は、溶湯上で温度を数万℃上昇させ、その際に
電子、イオン及び中性原子からなるプラズマが形成され
る。このプラズマから放射された光線の一部は、既述し
た通路を介して再び外ＦＭ３に達するか又はこの通路と
直角をなして配置された、この第１通路と同様に形成さ
せることができる、他の第２通路を介して再び外部に達
する。通路からの光線の出射後、この光線は、第一にビ
ーム分割後に、第二に直接に分光写真器の入口光学素子
上に導かれる。分光写真器の画像面内には、ダイオ−ｒ
アレーが電気光学的シャッターと一緒に配置され、した
がって分光写真器によって分解された光線は、一定の波
長領域にわたって時間的に分解されるか又はシャッター
を開いたときに時間を積分して時間と平行【検出するこ
とかできる。こうして得られた信号スペクトルは、後接
した電子機器によって処理され、かつ計算機に供給され
る。プラズマの周波数を積分し念強度に比例する、ビー
ム分割によって得られた第二信号は、得られた信号スペ
クトルの標準化に利用される。計算機中で信号スペクト
ルは貯蔵試料と比較され、かつ元素の分級は溶湯中で行
なわれる。

溶湯のプラズマ励起の間に放射された放射スペクトルは
、高温計による温度測定に利用される。

本発明を実地において使用する場合に光線の導通に必要
とされる通路の機能形式を記載した方法で保証するため
には、例えば次のように実施することが↑きる： 小管、特に銅からなる小管は、小管の一端が金属浴表面
の下に存在し、小管のもう１つの端部が溶解容器又は炉
の外側に存在するように金属浴中に導入される。この場
合、小管は、例えば開口を介してライニング中に案内す
ることができるか又は上からスラグ層を介して耐火性セ
ラミックによって保護して金属浴中に浸漬することがで
きる。小管を貫流する、公知の、溶湯に対して十分に不
活性のガス、例えばアルゴンにより、小管の開口は空間
を保持する。多くの場合には、もう１つのガス、例えば
窒素を使用することもできる。小管は、約２〜１０１１
１１１１．特に２〜４間の内径を有する。ガス通過量は
、自由横断面積により左右される。ガス速度は、約１０
〜１５０　ｍ／ｓｅｃ、特に２０〜６０　ｍ／　ｓｅｅ
テなければならなかった。ガスの音速１′Ｔ５の速度は
、可能であるが、経済的な理由から望ましいものではな
い。小管は、ガス通過量によって同時に冷却され、した
がってこの小管は、熱条件に耐えることができる。

小管を維持するのにまさに十分なガス通過量を得る努力
がなされる。小管をライニングに導通する場合には、ラ
イニングが摩耗する途中で小管も一緒に分解されるので
、小管は、一般に溶融金属中に突入させないでただライ
ニングに貫通させるにすぎない。

過剰に高められたガス通過量及びそれと関連する過剰に
高められた冷却によって小管の前方に金属及び／又はス
ラグからの固体の付着物が形成され、さらにこの付着物
が小管を通じての溶湯ま〒の自由な見通しを遮断すると
いうことは、全ての場合に阻止しなければならない。こ
の場合、ガス通過量は、全ての場合に小管の開口受凝固
が起こらないように調節しなければならない。それに応
じて、小管を介する過剰に高められたガス通過量による
過冷却の際に溶湯に対する開口が固体の付着物によって
閉鎖される場合に・は、常に同様に閉鎖された部分にレ
ーザー光線が当たり、放射が励起され、それにより組成
が測定される。この場合には、分析結果は一定に留する
。この開口が空間を有する場合、この空間の側を流れる
金属の組成は、一定の変動を示す。これは、小管上での
前記の温度測定とともに、過剰に高められたガス通過量
によってランスが過冷却され、その結果付着物の形成が
生じるかどうかを確認するためのもう１つの方法である
。

もう１つの制御法は、レーザー光線が衝突した容量元素
の組成を連続的に測定することと結び付いた、高温計に
よる温度測定それ自体である。例えば、スペクトル分析
及び温度測定から、レーザー光線が衝突した容量金属元
素の温度が融点の温度よシも低いことが推論できれば、
小管の前方に金属の固体付着物が形成されたことになる
。

付着物の形成が生じた場合には、この付着物は、不活性
ガスを酸素に短時間転換することによって再び燃焼させ
ることができ、この場合には、さらにスペクトル分析又
は高温測定の結果により、いつ付着物によって閉鎖され
た小管の自由燃焼が行なわれるかを確認することが１き
る。その後に、さらに凝固を阻止するために、再び不活
性ガス、例えばアルゴン又は窒素に変換され、この通過
量は、極く僅かに低下される。

他面↑、レーザー光線それ自体によるランス開口での金
属の点状加熱は、妨害する付着物の形成に不利に作用す
る。

本発明方法のもう１つの実施態様の場合には、レーザー
光線によって衝突位置で発生される放射を小管中に中心
で導出することを改善するために、例えば石英からの光
導波管は、開口に先行した実施態様に相当して空間を保
持しかつ管状ブツシュ及び光導波管を過剰に高められた
温度作用から保護する目的で小管と光導波管との間に溶
湯に対して不活性のガスを流すことができるように導入
される。光導波管は、レーザー光線が光導波管を通り小
管を介して衝突位置に導かれるように形成されている。

光導波管は、剛性又は可撓性に形成させることができる
。

本発明のもう１つの実施態様の場合、レーザー光線は、
光導波管、窓又は集光レンズを介しても導かれる。光導
波管による実施は、ライニングの熱応力によってブツシ
ュの直線性が問題となりうる場合に必要とされる。この
場合、レーザー光線を可撓性の光導波管を介して導くこ
とは、１つの解決ｔあり、その際１／−ザー光線のエネ
ルギーの一部が光導波管を通過する際に失なわれること
は、勿論考慮しなければならない。

光導波管の前面又は窓は、それらの透過能力が著しく損
なわれかつ測定に対する放射の残留強度がもはや十分で
ないので、溶融金属又は溶融スラブとの接触を決して生
じてはならない。

これは、既述したように、小管中に導入された光導波管
を溶湯にまｆ直接に導通しない↑溶解溶湯又は溶融スラ
グとの少なくとも１０〜３０闘の保証距離を維持し、か
つ光学的構成素子の前方でスラブ及び金属との空間を保
持するようなガス通過量で十分である場合、小管による
空間を保持する開口−を通過するガス通過量によって達
成することができる。

ライニングの肉厚が減少すると、管状ブツシュは縮小し
、光導波管と溶湯の前面との距離は短縮され、したがっ
て返送される放射が光導波管中に侵入することは阻止さ
れる。この理由から、光導波管は繊維束として形成され
、その繊維は、種々の深さで小管中に突入している。そ
れによって、ライニングの肉厚が減少すると、実際に機
能可能な光導波管−繊維の数は減少するが、し力）し光
線を十分な強度で導くことを保証するためには、残りの
数で十分である。

光伝送の機能性を保証することのもう１つの実施態様は
、前記の保証距離に達しない場合に光導波管の前面を機
械的に引き戻すことにある。

本発明によれば、レーザー光線によって放射が励起され
る、ランス開口の前方の範囲内で溶湯の操作条件による
運動に応じて金属及びスラグは、推論的に交互に流れる
。しかし、金属及びスラグは、種々の成分の明らかに異
なる状態を一定の限界範囲内で所定の溶解操作に応じて
有するので、金属及びスラグの所定の基本組成により、
放射が励起される直接の容量元素がスラブ又は金属から
なるのかどうか確認することができる。

従って、スラグ及び金属のそれぞれの組成をほぼ同時に
測定することができる。その上、前記の高温計による温
度測定は、２回のレーザー光線の励起間の中断時に来る
。

他の意味において、金属及びスラグからなる溶湯は、本
発明方法に対して任意の他の溶融液であることができる
か又は種々の溶融液及び固体成分からの混合物であるこ
とができ、この場合それぞれの溶融液及び／又は溶融液
混合物及び／又は固体を含有する溶融液は、種々の温度
を有することができる。この方法は、この場合簡単な物
理的限定条件下で使用することができる。

同様に、固体粒子、液状粒子及びガス状粒子からなるこ
とができる、ガス状又は不等質混合物を分析することも
できる。ガスの通過量によるランス開口の前方での熱輻
射の影響は、小管を通るガス通過量が一定である場合に
は経験的に考慮することができる。

本発明によれば、溶融スラグ及び金属の組成を連続的又
は非連続的に分析しかつ同時にそれらの温度全測定する
簡単な方法が得られる。

効　果： 本発明方法の１つの特別の利点は、分析を接触なしに実
施することができることである。

更に、好”ｔＬいことは、プラズマのスペクトルを平行
に読み取ることである。このことは、スペクトルの分級
の迅速な実施を可能し、かつ分析時間の短縮を生ぜしめ
る。スラグ及び金属の組成ならびに属する温度を直接に
確認することによって、これまで不可能であった、冶金
的操業を改善することが得られた。

実施例： 次に、本発明による方法を図面に示した実施例につき詳
説する。

ライニング２を有する鋼を精錬するための炉体１中には
、スラブ牛及び金属５からなる溶湯が存在する。酸素噴
射流７は、ランス６’ｔ−介して浴表面上に向けられ、
金属５は転炉中で精錬される。この場合には、塩基性ス
ラグ及び金属の酸素活性に応じて燐、珪素、マンガン及
び硫黄の分布挙動は、スラブと金属との間で調節される
。金属は、主に鉄ならびに極く僅かな酸素分及びカルシ
ウム分を含有し、スラグは、高いカルシウム分及び高い
酸素分を含有する。溶湯の温度は、精錬の間に１２５０
　’Ｃから１６３０℃へ変化する。

ガス供給管９を有する内径３ｍｍの銅小管８は、ライニ
ング２を介して案内された。アルゴンは、約３　Ｑ　ｍ
／ｓｅｅの流速で小管中に吹込まれる。この小管上には
、熱電対ｌＯ及び１１が小管の温度を制御するために取
付けられている。ガス通過量は、熱電対１０及び１１に
よって制御して小管で温度が＞７００℃にならないよう
に調節される。この温度限界を越えた場合、ガス通過量
は相当して上昇される。ノξルスレーヂー光線１３は、
集光レンズ１７’に介して小管δを通じて送信される。

この・ξルスレーザー光線ハ、小管の開口で位置１４で
溶湯に衝突する。この場合、この衝突位置でプラズマが
発生し、このプラズマ中で元素は励起され、固有のビー
ムを放射する。このビームは、小管８を通じて返送され
、光導波管１５からビームスプリッタ−及び集光レンズ
１８を介して分光写真器１６の入口間隙上でピント合せ
される。ビームスシリツタ−１９から光の一部は光ダイ
オー１２０上に案内される。この場合、基準信号は、発
生されかつ信号処理装置２１に導かれる。

分光写真器１６中で分解された光は、電気光学シャッタ
ー２２を介してダイオードアレー２２ａに導かれる。こ
こで発生した電子信号は、信号処理装置２１中に達し、
ここから分級−及び制御計算機２６中に達する。電気光
学シャッター２２は、パルス発信器２３によって制御さ
れ、この・ξルス発信器は、また遅延回路２４を介して
主ノξルス発生器２５によって制御される。主・ξルス
発生器２５は、−！りその制御命令を分級−及び制御計
算機２６によって受ける。他面で、主・ξルス発生器２
５は、Ｑ−スイッチ−トリガー又はフラツンユライト一
トリガー２７を介してレーザー２８を制御する。

レーザー・々シス１３は、一定間隔をもって送られる。

プラズマ１４中でのビーム励起の減衰時間は、数βｓｅ
ｃ続く。２つのこの励起サイクルの間の中間時間に、小
管８の開口前の部分での熱放射は分光写真器１６中に導
かれるか又はダイオ−１２０上に導かれる。小管を通る
ガス通過量は、最大温度を７００℃に調節した後に一定
に調節される。ガス通過の場合、熱放射が励起される、
ガスが吹き付けられる衝突位置での温度は、浴の温度よ
りも約１３０℃低い。この偏差は、先に平行に実施され
た熱電対測定によって確認され、かつ高温計によるビー
ム値の評価の際に考慮された。吹き込み過程の際の強力
な浴運動の結果として、スラグと金属は混合され、した
がってプラズマ中で推計学的に偏差を有するスラグ粒子
及び金属粒子は、固有の元素放射を励起させた。１だ、
スラグ粒子と金属粒子が共通に放射を励起させるような
境界状態を生じる場合も起きた。

放射パルスは、捕集され、スペクトル分析により分解さ
れ、かつ強度試験後に計算機によって記録された。こう
して捉えられた、ノξルスのそのつど測定された集合分
析値は、指示元素により分類した。スラグに対する指示
元素としては、カルシウム及び酸素が使用され、すなわ
ちカルシウムは〉７％でなければならず、かつ酸素は＞
１０％でなければならない。

金属相に対する指示元素としては、鉄及び酸素が使用さ
れる。放射した表面を金属表面として同定するために、
鉄分は〉９５％でなければならず、かつ酸素針はく０．
２％でなければならない。

指示元素が記載した範囲内で生じないような全部の集合
分析値は、使用することができない。それというのも、
この場合には偶然にスラブ粒子と金属粒子は同時に励起
して放射されたからである。

測定された、スラグ分析及び金属分析により分類された
、放射パルスに応じての集合は、先行した放射・ぐルス
の同じ性質の集合と合わされ、その金属とスラブとの平
均組成は、別々に得られる。また、高温計による温度測
定の場合も、多数の単独測定により平均温度に纏められ
る。

第２図に示した、スラグ及び金属の組成ならびに溶湯の
温度の経過により、操作は制御することができる。金属
の燐含有量がＣＩＬＯ対Ｓ　ｒ　０２の比及びスラグの
酸化鉄含有量の関数であることは、公知である。そのつ
どの組成を実際に認識することにより、脱燐経過が不十
分で吹込み時間１０分間の時間範囲内での脱炭気速度が
高すぎる場合に吹込み時間１１分後にランスの距離を拡
大することによって脱炭速度は減少されかつスラグの酸
化鉄含有量の低下率は明らかに少なくなる。

第２図において、後に金属の燐含有量は、０゜０７％の
炭素含有量の際に燐０．０１５％の所定の最終値を達成
することを認めることもできる。他面で、所望の最終温
度’ｋ　１６４０　’Ｃに調節するために、吹込み終結
時の２〜３分前に鉱石の粗装入重量０．６％の添加が必
要〒あることは、温度経過から認めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、溶鋼の組成及び温度を溶解容器で測定するた
めの装置を示す略図、かつ第２ａ図及び第２ｂ図は、ス
ラブ及び金属の組成ならびに溶湯の温度の経過を示すグ
ラフである。 ８・・・小管、１３・・・・ξルス光線、１４溶湯の表
面部分、１５・・・光導波管、１６・・・分光写真器、
２１・・・信号処理装置、２２・・・電子シャッター、
２２ａ・・・ダイオ−Ｐアレー、２３・・・／ｅルス発
信器、２４・・・遅延回路、２５・・・主・ξルス発生
器、２６・・・計算機

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶湯の温度及び化学組成を測定する方法において、
   高い強度のパルス光線を通路を介して溶湯の表面部分に
   ピント合せし、この表面部分でイオン、原子及び電子か
   らなるプラズマを発生させ、このプラズマ中に存在する
   元素から固有のビームを放射させ、このビームを通路を
   介して分光写真器上に返送しかつこの分光写真器中で分
   解し、得られた信号スペクトルを溶湯中でビームに励起
   される元素を確認するために使用し及び／又は高温計に
   よる温度測定に利用することを特徴とする、溶湯の温度
   及び化学組成を測定する方法。 ２、　高い強度の・ξルス光線が・ぐルスレーザー光線
   である、特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３、通路が溶解困難な材料からの小管からなり、この小
   管が溶湯に対して不活性のガスを貫流しかつこのガスに
   よって溶湯との空間を有する、特許請求の範囲第１項又
   は第２項記載の方法。 牛、得られた信号スペクトルを後接した電子機器によっ
   て処理しかつ計算機に供給する、特許請求の範囲第１項
   から第３項まｆのいずれか１項に記載の方法。 ５、　プラズマの周波数強度に比例する、ビーム分割に
   よって得られた第２信号を得られた信号の標準化のため
   に利用する、特許請求の範囲第１項から第４項までのい
   ずれか１項に記載の方法。 ６、　分光写真器の画像面内にダイオードアレーが電子
   シャッターと一緒に配置される、特許請求の範囲第１項
   から第５項までのいずれか１項に記載の方法。 ７　ビームを返送するための通路内に光導波管が配置さ
   れる、特許請求の範囲第１項から第６項までのいずれか
   １項に記載の方法。 ８、　光導波管が石英からなる、特許請求の範囲第１項
   から第７項１でのいずれか１項に記載の方法。 ９　光導波管が可撓性の単独の石英繊維からなる、特許
   請求の範囲第１項から第８項までのいずれか１項に記載
   の方法。 １０、光導波管が繊維束として形成され、この繊維が種
   々の深さで通路内に突入する、特許請求の範囲第１項か
   ら第９項までのいずれか１項に記載の方法。