JPS6214774B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、溶融金属表面にプラズマアークの高
エネルギー源を照射して過熱状態となして、溶融
金属の組成を代表する微粒子を蒸発させ、これを
離れた場所に設置してあるプラズマ励起源を有す
る発光分光分析装置に不活性ガス流で搬送し、溶
融金属中の各種成分含有量をオンラインリアルタ
イムで分析することを目的とする溶融金属の直接
発光分光分析装置に関するものである。

金属製造業に於る金属や合金の製造工程管理や
製品の品質管理には、固体試料を用いる発光分光
分析が最も多用されている。しかし、近年、特に
鉄鋼業に見られるようにより迅速な製造工程管理
あるいは多段精錬など新しい精錬プロセスの操業
管理のために、溶銑や溶鋼のような溶融状態の金
属試料を対象としたオンラインリアルタイムの分
析法の開発が強く要請されている。これまで溶融
金属の直接分析は、溶融金属と対電極との間に電
気的放電を行わせて生じた励起光を分光器で測定
する方法（A.Wittmann：Iron and Steel
International、52（1979）P.77〜83）、ジヤイア
ントパルスレーザー光を照射して発した励起光を
直接分光器で測定する方法（不活性ガス下励起：
特公昭54−7593、大気化励起：E.F.Rungeet
al：Spectrochimica Acta.、22（1966）P.1678〜
1680）、あるいは溶融金属をArガスを用いた特殊
な噴霧器によつて微粉化して発光分光分析する方
法（BISRA Annual Report：78（1966）、65、78
（1967）、35（1968））など各種の手法により研究
開発が試みられている。しかし、これらの方法
は、これまで実際の製造現場に設置して実用化さ
れたことはなく、いずれも実験室内における小規
模な実験が試みられたに過ぎない。

実際に製造現場で実用できる溶融金属の直接分
析装置の実現をはかるには、先ずその製造現場は
高温、振動、大気の汚れなど測定環境が非常に悪
い点を考慮しなければならない。従つて、分光
器、各スペクトル線強度の検出器等から成る精密
光学測定器である分光分析装置は、上記のような
悪条件の測定環境下ではトラブルが起り易く、正
常に機能せず、溶融金属の存在する場所から離し
て設置する必要がある。溶融金属と分光分析装置
を数10ｍの距離を離して成分、分析を実施するに
は、電気的放電やレーザー照射によつて発生させ
た励起光を伝送する方式と溶融金属を微粉化して
搬送する２方式が考えられるが、前者は振動や高
温による光伝送のための光軸の変動等の問題があ
り後者の方が適している。しかし、後者の方式に
於いては、搬送途中での微粉化試料の管壁等への
付着残留が問題となる。この方式を採用した上述
の引用文献の場合は、高流速のArガス流による
スプレー作用を利用して溶融金属を噴霧する方法
であるために、微粉化された金属の粒子径は10〜
100μｍ程度以上で粒径が大きいために長距離の
搬送は困難であり、又粒度分布の幅が広いために
励起発光させた際の発光強度の変動が大きく分析
精度が悪い等の問題がある。

本発明はかかる問題点に鑑み、溶融金属を更に
過熱状態にし、蒸発作用を利用して0.1μｍ以下
程度の超微粒子を発生させる方法、付着残留を防
止して効率よく長距離を搬送する方法及び分析装
置への導入方法等を中心に研究開発を進め、簡
単・迅速に高い精度・感度で分析でき、実用的な
新規分析装置を提供するにいたつたものである。

本発明装置の実施例を図面に示す。以下、図面
により本発明の詳細について説明する。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
１２、搬送ガス分配装置１４及びプラズマ励起源
を有する発光分光分析装置２９から構成される。
微粒子発生装置１は、溶融金属５にプラズマアー
クを照射して、溶融金属を更に高温の過熱状態と
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。微粒子発生装置１は
微粒子発生用円筒管２、その上部に溶融金属表面
に対向して取り付けられたプラズマアークの加熱
装置３に接続するプラズマアーク照射用管４、微
粒子搬送管開口部１１、不活性ガス導入管７を取
り付けた遮へい用管６及びプラズマアーク加熱装
置等を主体に構成される。微粒子発生用円筒管２
は20〜50mm程度の小径の円筒管で、底部は水平に
開口しており、溶融金属表面と通常10mm以下の隙
間をもつて設置される。耐熱性で熱伝導性にすぐ
れ、絶縁性のよい窒化ホウ素あるいはマグネシ
ア、アルミナ等の耐火物製のものが適している。
加熱装置３はプラズマアーク、アーク、スパーク
あるいはレーザービーム等の加熱源が適用できた
が、プラズマアーク加熱の場合が微粒子の蒸発速
度も速く、加熱温度を高くできるので蒸発しにく
い成分も容易に蒸発できるなど最も適していた。
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。プラズマアーク加熱装
置３に接続したプラズマアーク照射用管４は通常
10mm程度の小径の円管を用いたが、これは微粒子
発生用円筒管２の上部に溶融金属面に対向して垂
直に取り付け、両者間は通常50mm程度の間隔をも
たせた。プラズマアーク照射用管４と照射する相
手の試料との間で放電を飛ばしてプラズマを発生
させるプラズマアーク加熱装置の場合は、通常プ
ラズマアーク照射用管４には負電位が与えられ、
同照射用管４の対電極１０には正電位が与えら
れ、両極間に高電圧を負荷して連続アークの放電
を行なう。

プラズマアーク照射用管４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、プラズマアーク照射用管４
の先端部から試料である溶融金属５の表面に向つ
て生成し、湯面を加熱状態として微粒子を生成す
る。

プラズマアーク照射用管４を垂直位置に設定す
る理由は、加熱及び微粒子の蒸発を効率よく実施
すること及び蒸発微粒子の搬送管開口部１１への
導入を効率よく行うことにある。加熱装置をプラ
ズマアークとした場合に溶融金属面に対して傾斜
角をもつて照射すると特に問題が起る。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、プラズマ炎の流れに乗つて拡散してし
まい搬送管開口部１１への取り込みに支障をきた
す。蒸発した微粒子は、プラズマアーク照射用管
４の外周に狭い隙間をもつて同心円の２重管とし
て設置した搬送管開口部１１へ運び込まれる。溶
融金属中の成分分析を目的とする本発明に於いて
は、微粒子を単に捕集する場合と異なり、蒸発微
粒子の全量を一定流速の搬送ガスと共に常時安定
して分析装置２９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
発明では溶融金属表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
属表面上を搬送管開口部１１へ向つて流れる搬送
ガスの流れに乗せて迅速に運び去る方法をとつ
た。プラズマアークを加熱源とした場合、微粒子
はプラズマアークが当つて過熱状態となつた金属
表面からプラズマ炎を中心に上昇して一部は周囲
へ拡散し、、一部は再び金属面へ戻る対流を起し
ている。一方、微粒子発生用円筒管２の底部より
導入された搬送ガスは出口がプラズマアーク照射
用管４の周囲に２重管として設けられた搬送管開
口部１１きりないので、加熱源照射用管４から照
射されるプラズマ炎などを中心とした溶融金属表
面上から搬送管開口部１１へ入り込む不活性ガス
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、その搬送ガス流に引き込まれ
て、常時一定の希釈倍率をもつて搬送管開口部１
１へ送り込まれる。故に図面に示す如く、プラズ
マアーク照射用管４の外側に２重管として搬送管
開口部１１を設けるのが良い。微粒子発生条件、
例えばプラズマアークの場合には電圧、電流及び
ArあるいはHe等のガス吹込み流量などに左右さ
れるが、プラズマアーク照射用管４の長さよりも
その外周に設けた搬送管開口部１１を多少短くす
ることにより、スプラツシユなどによる粗大粒子
は溶融金属表面に戻り、微細粒子のみを搬送する
ことができる。

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、雰囲気気体の種類等に
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いて定量精度に大き
な影響を与えるので特に重要であり、粒径を極力
小さく、かつその粒度分布を整えることが必須で
ある。本発明装置で溶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
の粒径は発生条件によつて左右されるが大略0.1
μｍ以下の極めて微細粒子であり、平均粒径が
0.05μｍの場合0.04〜0.06μｍの範囲に約70％が
入るように粒度分布の幅も狭く、プラズマ発光分
光分析には最適であつた。

微粒子発生用円筒管２の外側には２重管構造と
なるように耐火材製の遮へい用管６を取り付けて
ある。遮へい用管６は開口した底部が溶融金属５
中に浸漬し、密閉状態とし、上部に取り付けた不
活性ガス導入管７から吹き込まれる不活性ガスを
微粒子発生用円筒管２底部より同円筒管２内へ送
り込み、蒸発して発生した微粒子を搬送管開口部
１１へ送り込む働きをする。又、溶融金属表面上
にはスラグが浮遊して存在する場合が多いが、本
遮へい用管６はスラグ等の浮遊物を排除する働き
も行う。遮へい用管６は同昇降装置８によつて上
下動ができるが、最初は遮へい用管６を溶融金属
表面から上昇させておき、導入管７より多量の不
活性気体を吹き込んでスラグを移動させ、あるい
は量が多い場合には耐火材でできた板を溶融金属
表面上を移動させる等の機械的方法によつてスラ
グを移動させて、その直後に遮へい用管６を湯面
下に入るように下降させる。遮へい用管６には一
度排除したスラグ等は再び流れ込むことはなく、
プラズマアーク照射用管４の直下の湯面上にはス
ラグ等の浮遊物が無い状態を保つことができる。
本遮へい用管６を設けない場合は、その内側にあ
る微粒子発生用円筒管２の底部を溶湯中に浸漬し
て蒸発微粒子を管外部に出ないようにしなければ
ならないが、微粒子発生用円筒管２は本装置の最
も重要な部分であり長期間の耐久性が必要であ
る。従つて、円筒管２は直接高温の溶融金属中に
浸漬せずに、又、溶湯表面から蒸発する微粒子の
全量を効率よく搬送管開口部に搬送し、あるいは
円筒管２内への大気の直接的な流入を防止して円
筒管２内を常時不活性雰囲気に保持するために微
粒子発生用円筒管２の外側に遮へい用管６を設け
ることは実際上非常に重要である。微粒子発生装
置１は図示したように円筒管支持台９によつて保
持するなどして溶融金属上に設置した。

搬送管開口部１１から取り込まれた微粒子はガ
ス導入管７から吹き込まれた不活性ガスに乗せら
れて微粒子搬送管１２を通つて搬送ガス分配装置
１４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れらの内壁等に微粒子
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内及び搬送管開口部１
１は溶融金属の高熱によつて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
１２は温度が低下して付着残留が起り易くなる。
その結果、搬送ガス中の微粒子濃度が変動した
り、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、静かなガス
流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。又、一度
付着した微粒子は付着後短時間内に搬送ガスを高
速で吹き込むことにより容易に剥離することが判
明したので、搬送管１２はなるべく小径として搬
送ガスの流速を速くする及び図面に示す如く加熱
装置１３を取り付けて常時加熱しておく方法など
を採用する必要がある。あるいは搬送管１２内面
に加工を施すか、管１２を乱線状とするなど、搬
送ガスを乱流にする工夫などが有効であり、搬送
管１２を数10mのように長尺としても微粒子の残
留はほとんど防止できた。

微粒子搬送管１２は搬送ガス分配装置１４に接
続される。搬送ガス分配装置１４は、搬送管１２
より搬送ガス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
２２へ導入する搬送ガス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ガスの分配を
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２２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１４は、外周
に加熱装置１３を取り付けた小径の円筒管で微粒
子搬送管１２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
直に取り付け、円筒管底部に流量調節器１７を備
えた排出管１６を取り付けてある。この３本の管
はいずれも10mmφ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ガスと共に底部
排出管１６より系外に排出され、残りの微粒子は
一定流量の搬送ガスと共に導入管１５へ導入され
る。

微粒子導入管１５はプラズマ励起発光分光分析
装置２９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１８、
冷却ガス供給１９から成る３重管のプラズマトー
チ２０に運び込まれ、高周波発生装置２１によつ
て形成される高温のプラズマ部２２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、微粒子搬送ガスには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２３によつて集められ、スリツ
ト、反射鏡２５、回析格子２６からなる分光器２
４によつて分光され、光電子増巾管から成る検出
器２７、成分含有率算出装置２８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
分含有率を迅速に求められる。微粒子を励起発光
させる分析装置２９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るが、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。

以上説明したように本発明によれば、溶融金属
試料中の含有成分をサンプリング等の操作を行わ
ずに、迅速かつ精度よく直接分析することがで
き、金属の精錬プロセス等の操業管理に極めて効
果が大きい。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の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：プラズマアーク加熱装置、５：溶融金
属、６：遮へい用管、７：不活性ガス導入管、１
０：加熱装置３の対極、１２：微粒子搬送管、１
４：搬送ガス分配装置、１５：微粒子導入管、２
０：プラズマトーチ、２４：分光器、２９：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 底部は溶融金属表面近傍に開口し、上部には
   プラズマアーク加熱装置に接続するプラズマアー
   ク照射用管、及び溶融金属表面に対向し同照射用
   管よりも短くかつその外周に隙間をもつて同心円
   状に開口部を設けた微粒子搬送管を取り付けた密
   閉状微粒子発生用円筒管、同円筒管の外部側壁に
   取り付け、底部は溶融金属中に浸漬し、上部には
   不活性ガス導入管を取り付けた遮へい用管、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、上記微粒子搬送管の末端部、発光装置へ
   の微粒子導入管及び余剰搬送ガスの排出管を取り
   付けた小形状容器から成る搬送ガス分配装置、同
   微粒子導入管の末端、プラズマ励起源を有する発
   光装置、分光器及び検出器等から成る発光分光分
   析装置を備えたことを特徴とする微粒子蒸発搬送
   法による溶融金属の直接発光分光分析装置。