JPS6214773B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、金属製造業に於て最も活用されてお
り、採取した一定形状の試料片を対象とする固体
発光分光分析装置にかわつて、試料片を採取せず
大形金属材等を直接分析する発光分光分析装置に
関するものである。

金属製造業に於て金属や合金の製造工程あるい
は製品の品質管理には、その主成分や含有される
微量成分の分析が必須である。この分析法には
JIS KO116−1965などに示されているが、金属
試料片と対電極間に高電圧をかけてスパーク放電
あるいはアーク放電等を行わせ、蒸発した各成分
に基づく励起光のスペクトル線強度から試料中の
各成分の含有率を求める固体発光分光分析法が最
も活用されている。しかし、本分析法は放電を行
わせる装置構造等から試料形状に一定の制限を受
け、通常15mmφ以上の平面をもつた試料片を準備
しなければならない。しかし、金属の製造工程に
於ては、上述のような試料片を切り出すために相
当の労力や時間を要する場合、製品等で試料片の
採取を極力避けたい場合あるいは製造工程の途中
でオンラインで迅速に分析しなければならない場
合など試料採取が困難な場合が多い。このような
理由から、分析試料を採取せず金属板、角材、棒
材等を簡単、迅速に直接分析することができる新
規分析装置の開発が強く要請されていた。

これまで金属から微粒子を生成する発明には、
特許1051683号「超微粉末の生成方法および装
置」などがあるが、この発明は金属を高周波誘導
加熱で一度溶解し、更にプラズマアークなどの加
熱源で加熱して金属の微粒子を生成して集めるも
のである。本発明者らは金属微粒子の生成ととも
に、この微粒子を安定して効率よく分析装置へ搬
送し、含有される成分をプラズマ発光分析する分
析システムを新規に発明した。

本発明はかかる必要性に鑑み、プラズマアーク
加熱―蒸発微粒子搬送―プラズマ励起発光分光分
析法を基本原理とし、大形金属材を直接簡単、迅
速に高精度で分析できる新規分析方法及び装置を
提供するものである。

第１図に示した本発明実施例装置に基づいて本
発明を詳細に説明する。

本発明装置は大別すると微粒子発生装置１、微
粒子搬送管６、搬送気体分配装置１２及びプラズ
マ励起源を有する発光分光分析装置２７から構成
される。微粒子発生装置１は金属材表面にプラズ
マアークを照射して金属面の一部を加熱溶解し、
金属の組成を代表する微粒子を煙状に蒸発させる
働きをする部分である。微粒子発生用円筒管２は
底部が開口しており、その端面は水平となつてい
て金属材３の表面上に設定すると密閉状態とな
る。プラズマアーク加熱装置４は円筒管２上部に
取付けられ、プラズマ発生管５は金属材３表面に
対向して垂直に取付けられていて両者間は通常５
〜10cm程度の間隔がある。円筒管２の分析対象金
属材面への設定の仕方は金属材３に対して上方、
下方あるいは横の方向からでも差しつかえない。
微粒子発生装置は小型のもので携帯可能である。
金属材３の表面はプラズマアーク加熱装置４のプ
ラズマ発生管５から発生するプラズマ炎によつて
その一部分が短時間で溶解され、過熱状態を呈し
て金属材の組成を代表する微粒子を蒸発する。プ
ラズマアークの代りにスパーク放電、アーク放
電、電子ビームあるいはレーザービーム等の加熱
源も適用できるが、プラズマアーク加熱による方
法が金属の溶解が速く、微粒子の蒸発速度も速
く、又加熱温度も高くできるので蒸発しにくい成
分も容易に蒸発でき、分析精度の向上及び分析時
間の短縮に有利である。プラズマ炎の発生口５を
金属材３表面に対向した直上位置に設定する理由
は、加熱及び微粒子の蒸発を効率よく行うこと及
び蒸発微粒子の搬送管６への搬送を効率よく実施
することにある。プラズマ炎を金属３の表面に対
してある傾斜角をもつて照射した場合は、特に蒸
発した微粒子はプラズマ炎が金属面で反対方向に
反射される際にそのプラズマ炎の流れに乗つて拡
散してしまい搬送管６への搬送に支障をきたす。
蒸発した微粒子はプラズマ発生管５の外周に狭い
隙間をもつて同心円の２重管として設置した微粒
子搬送管６へ運び込まれる。金属材３表面より煙
状となつて蒸発する微粒子は、プラズマ炎の高温
による対流から、通常金属材面から上方に移動し
てゆき、そのあと一部は上部からプラズマ炎に入
り込み、一部は周囲に拡散する。金属材中の成分
量を分析する本発明に於ては、微粒子を単に補集
する場合とは異なり、蒸発微粒子の全量あるいは
常時安定した一定割合の量を搬送気体と共に分析
装置２７へ送り込まなければならず、より効率の
良い微粒子の搬送技術が必要になる。本発明では
金属面より蒸発して直上方向に立ち昇つた微粒子
を周囲への拡散を防ぎ、やはり金属表面の上方を
搬送管６の入口へ向つて流れる搬送気体の流れに
乗せて迅速に運び去る方法をとつた。すなわち、
微粒子はプラズマアークが当つて溶解した金属表
面からプラズマ炎を中心に上昇しては再び金属面
に戻る対流を起している。一方、円筒管２の上部
ないしは側部に取付けられた搬送気体吹込み口９
より導入された搬送気体は出口がプラズマ発生管
５の周囲に設けられた微粒子搬送管６のみなの
で、プラズマ炎を中心とした金属材の上方から同
搬送管６へ入り込む気体の流れが形成されてい
る。従つて、蒸発して上昇してきた微粒子はその
搬送気体の気流に引き込まれて、常時一定の希釈
倍率をもつて搬送管６へ送り込まれる。故に第１
図に示すようにプラズマアークが照射する金属材
表面の直上に搬送管６を設けるのがよい。プラズ
マ発生管５の外径は通常10mmφ程度の小型のもの
を用い、従つて搬送管６の外径も15〜20mmφと小
径である。プラズマアークの電圧、電流及びAr
あるいはHe等の気体の吹込み流量にも左右され
るが、通常プラズマアーク発生管５の長さよりも
その外周に設けた搬送管６を多少短かくすること
により、スプラツシユなどによる粗大粒子は金属
３面へ戻り微細粒子のみが搬送される。

７はスプリング等による押圧力をもつた電極棒
で金属３の表面に接している。プラズマアークに
は、一般にプラズマ銃と呼ばれるプラズマを発生
させる筒の内部に負及び正の両極をもつており、
連続アーク放電によつて生成したアーク炎をAr
ガスで筒の先端部から外部に吹き出させ、その筒
の先端部の水冷によつて発生するピンチ効果によ
り、細長く収束したプラズマアークを発生させる
タイプ（プラズマジエツト）及び試料とプラズマ
発生管とを負、正の両極とし両極間に連続アーク
放電を飛ばし、プラズマ発生管の先端部を水冷す
ることによりそのアーク炎を細長く収束したプラ
ズマアークを生成するタイプとの二種類が知られ
ている。本実施例では後者のタイプを例にとり説
明する。通常プラズマアーク加熱装置４には負電
位が与えられ、金属材３には正電位が与えられ、
両極間に高電圧をかけて連続アークの放電を行な
う。プラズマアーク発生管５の材質は通常電気伝
導性と熱伝導性にすぐれる銅でできており、先端
部には管の周囲に水冷機構が設けられるが第１図
ではその部分を省略してある。プラズマアーク
は、発生管５の先端部から試料３表面に向つて生
成し、試料表面を加熱して溶融状態の小さなスポ
ツトを形成する。円筒管２は電気絶縁性、熱伝導
性に富む材質のもので製作するのがよく、機械加
工性にも富む窒化ホウ素が最適であつたが、アル
ミナやマグネシアなどの耐火材でもよい。又、円
筒管２は微粒子の拡散を防止するために極力小径
のものを用い、内容積を小さくする。

微粒子の蒸発発生速度及び粒径は、蒸発させる
雰囲気の圧力、加熱温度、雰囲気気体の種類など
によつて影響される。微粒子の粒径は、プラズマ
励起源を有する発光分光分析に於て定量精度に影
響するので特に重要であり、粒径を極力小さくし
かつその粒度分布を整えることが必要である。本
発明によつて鉄鋼を対象に発生させた微粒子を電
子顕微鏡観察によつて調査したところ、その粒径
は大略0.1μｍ以下の極めて微細粒子であり、粒
度分布の巾も狭く、プラズマ発光分光分析には最
適であつた。

蒸発微粒子は搬送気体に乗せられて搬送管６を
通つて搬送気体分配装置１２に搬送されるが、本
発明のように微粒子を対象に分析を行う場合には
この部分の内壁等に微粒子を付着残留させないこ
とが最も重要な問題になる。微粒子発生用円筒管
２内はプラズマアーク加熱による高熱によつて内
壁が加熱されているので微粒子は付着しにくくあ
まり問題はないが、搬送管６は温度が低下して付
着残留が起り易くなる。微粒子の付着残留は、搬
送気体中の微粒子の濃度が変動したり、次の金属
材の分析に移つた際のコンタミネーシヨンとなつ
て正確な分析値が得られなくなる。蒸発微粒子は
遅く静かな気体の流れによる搬送や温度の低下に
よつて微粒子間の凝集や壁面への付着残留が起り
易くなる。従つて、搬送管７はなるべく小径とし
て搬送気体の流速を速くする必要があり、第１図
に示す如く加熱装置１１を設けて常時加熱してお
く、あるいは搬送管６内面に加工を施すか、管６
を乱線状とするなどして搬送気体を乱流とする方
法などが有効である。又、搬送管を数十ｍのよう
に長尺とする場合には、微粒子の多少の残留が起
り易くなるが、この場合には微粒子の残留割合を
常時一定化するように搬送条件を考慮し、なおか
つ１試料の分析終了時点でそれらを確実に除去す
るようにして次の試料に対するコンタミネーシヨ
ンを防ぐことができる。種々の実験の結果、管内
壁等に付着した微粒子は付着後短時間の内に搬送
気体を高速で吹きつけることにより容易に剥離し
て排除できることが判明したので、１試料の分析
終了直後に搬送気体の吹込み流量を増大させて除
去する方法を採用した。この搬送気体の流量制御
は、円筒管２に取付けられた吹込み管９に接続す
る搬送気体供給装置８の流量調節器１０の自動切
替操作で実施した。搬送気体の流量調節は例え
ば、分析すべき金属材に円筒管を設定する時点で
10〜15/minで流して円筒管内を不活性雰囲気
に置換し、次にプラズマアーク加熱する時は３〜
５/minの一定流量で流して蒸発微粒子を搬送
し、数分間以内で行われるプラズマ発光強度の測
定終了直後に10〜20/minの高速で流して円筒
管２、搬送管６、搬送気体分配装置１２等の内部
に残存する可能性のある浮遊微粒子及び付着残留
微粒子を剥離して系外に除去する方法を採つた。

微粒子搬送管６は搬送気体分配装置１２に接続
される。搬送気体分配装置１２は、搬送管６より
搬送気体と共に送られてきた微粒子を一旦空間部
で拡散させ更に均一化をはかる、プラズマ部２０
へ導入する搬送気体の最適流量を得るためにある
一定部分を系外に排出して搬送気体の分配を行う
あるいは搬送されてくる間に凝集が進んで特に粗
大化した粒子を系外に排除して微細粒子のみをプ
ラズマ部２０へ送り込むための分粒などを行う働
きをする部分である。分配装置１２は、外周に加
熱装置１１を取付けた小径の円筒管で微粒子搬送
管６を側壁より挿入して管末端部を上向きに、又
微粒子導入管１５を円筒管の上部より搬送管末端
部と相対するように一定間隔をもつて垂直に取付
け、円筒管底部に流量調節器１４を備えた排出管
１３を取付けてある。この３本の管はいずれも10
mmφ程度の細管であり、粗大粒子及び分配された
微粒子は余剰の搬送気体と共に底部排出管１３よ
り系外に排出され、残りの微粒子は一定流量の搬
送気体と共に導入管１５へ導入される。流量調節
器１４は上述の搬送気体供給装置８の流量調節器
１０の作動と連動させる。

微粒子導入管１５はプラズマ励起発光分光分析
装置２７に接続される。導入された微粒子は図示
する如く導入管１５、プラズマガス供給管１６、
冷却ガス供給１７から成る３重管のプラズマトー
チ１８に運び込まれ、高周波発生装置１９によつ
て形成される高温のプラズマ部２０に達して励起
発光される。実施例では、プラズマガスにはAr
を１〜1.5/min、冷却ガスにはArを10〜15/
ｍｉｎ、微粒子搬送気体にはArを0.5〜１/minで
流して実施した。励起された微粒子の発光スペク
トルは集光レンズ２１によつて集められ、スリツ
ト、反射鏡２３、回折格子２４からなる分光器２
２によつて分光され、光電子増巾管から成る検出
器２５、成分含有率算出装置２６によつて各々の
スペクトル線強度が測定され、分析試料中の各成
分含有が迅速に求められる。微粒子を励起発光さ
せる分析装置２７には高周波誘導結合型発光分光
分析装置が最も適していたが、そのほかの各種ア
ーク放電、グロー放電等のプラズマ励起発光分光
分析装置あるいは原子吸光分析装置などを使用で
きる。

本発明によれば、分析すべき金属材表面へ微粒
子発生用円筒管２を設定して微粒子を発生させて
試料中の各成分の含有率を求めるまでの分析所要
時間は約５分以内の短時間でほとんど人手を用い
ないで簡単に分析することができる。定量精度に
ついても試料片を切り出して発光分光分析法によ
つて分析する方法に比べて遜色のない良好な結果
が得られた。以上説明したように本発明によつて
これまで直接分析が困難であつた大形の金属材に
ついて試料片の採取などを行わずに簡単、迅速に
多成分を同時に分析できる直接発光分光分析が可
能になつた。本発明は鉄鋼スラブの品質管理のた
めの成分偏析分析、異鋼種連続鋳造に於けるスラ
ブの継目位置を検出するための直接分析、製品鉄
板の鋼種判別のための直接分析、赤熱状態の半製
品の成分チエツクのための直接分析あるいは溶銑
や溶鋼のオンライン直接分析などに適用できる。
本発明は試料片の切り出し等の作業を省略し、金
属材中の各成分量を簡単、迅速に分析できる新規
分析装置を提供したものであり、この分野に於て
多大の貢献を成すものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例装置の説明図である。 １…微粒子発生装置、２…微粒子発生用円筒
管、３…金属材、４…プラズマアーク加熱装置、
６…微粒子搬送管、７…対電極、８…搬送気体供
給装置、１２…搬送気体分配装置、１５…微粒子
導入管、１８…プラズマトーチ、２２…分光器、
２７…プラズマ励起源を有する発光分光分析装
置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 上部ないしは側部に流量の調節が自在な微粒
   子搬送用気体供給装置に接続する吹込み管及び一
   端をプラズマ放出管の外周に狭い隙間をもつて同
   心円状に設けて他端を搬送気体分配装置に接続し
   た微粒子搬送管を取付け、上部にプラズマアーク
   加熱装置に接続する同プラズマ放出管を金属材表
   面に垂直に取付け、底部は分析対象となる金属材
   表面上に接して設定されるように端面が水平な開
   放口を有した微粒子発生用円筒管及びプラズマア
   ーク加熱装置から構成される微粒子発生装置、該
   発生装置と接続する微粒子搬送管の他端部、発光
   装置への微粒子導入管及び流量調節器を備えた余
   剰搬送気体の排出管を取付けた搬送気体分配装
   置、該分配装置とを微粒子導入管で接続し、微粒
   子導入管、プラズマ励起源を有するプラズマ発光
   装置、分光器、検出器、成分含有率演算装置等か
   ら成るプラズマ発光分光分析装置を備えたことを
   特徴とする大形金属材の直接発光分光分析装置。