JPS6315544B2

JPS6315544B2 -

Info

Publication number: JPS6315544B2
Application number: JP19108982A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Ono
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1982-10-30
Filing date: 1982-10-30
Publication date: 1988-04-05
Also published as: JPS5981541A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、溶融金属表面と対電極間に電気的放
電を行わせ、発生する励起光を分光分析して、溶
融金属中の各種成分の含有率を直接求める溶融金
属のスパーク発光プローブないし溶融金属の直接
発光分光分析装置に関するものである。

金属の製造に於ける工程管理分析には、サンプ
リングして固化させたブロツク試料を対象とする
発光分光分析が最も活用されている。しかし、よ
り迅速な工程管理のためには、溶融状態で直接分
析できる装置の開発が強く要請されている。

電気的放電による溶融金属の直接発光分光分析
の試みは、これまでにいくつか見られ、アイアン
アンドスチールインターナシヨナルの52
（1959）77〜83頁や、米国特許3645625、3659944、
3669546などに報告されている。しかし、これら
のいずれも実験段階にあると言える。というの
は、実際に製造現象で実用できる溶融金属の直接
分析装置であるためには、湯面レベル変動に基づ
く電極間間隙による励起光強度の変化を吸収する
手段や、高熱、振動等による励起光の集光に於け
る光軸変動に対処する手段が開示されてないから
である。

本発明は、実用化に必要な上記の諸手段につい
て研究し、その結果到達したもので、本発明の直
接発光分光分析装置は溶融金属表面に対して直上
方向から励起光を集光する構成とし、励起光の分
光器への伝送に光フアイバーを採用し、湯面レベ
ル検出器と発光チヤンバーの電極間隙調整器とを
連動させる構成としたことを主な構成とする電気
的放電による溶融金属の直接発光分光分析装置で
あつて、より詳細には集光用円筒４と、該円筒の
外側にあつてこれを内包し保護する保護円筒２，
３とを含んで成り、該集光用円筒４は、その上端部に不活性ガス吹
込管９を備え、その下端面は溶融金属表面の直上
方向に位置し、その下端部には、周囲に不活性ガ
ス吹出孔１１を有する励起光集光レンズ５を有
し、該集光レンズの上方には、上方末端が分光検
出器２５に接続する光フアイバーケーブル６の受
光端面８が固定され、該端面の周囲には不活性ガ
ス通過孔１０が設けられており、該保護円筒は、最外周壁が耐火材製の多重周壁
を有し、壁間を冷却流体が通過できる構成とし、
その下端には、溶融金属２２表面に対向する開口
部１９が形成されており、該周壁には、該開口部
の中心にその先端が位置し且つ斜め上方から該開
口部に向つてのびその上端が、溶融金属２２と当
該対電極７との間にスパークを発生させるシステ
ム２４に接続する対電極７が固定されていて、前
記集光レンズ５の光軸は該対電極７の先端と合致
しており、さらに該保護円筒は、その下部に、湯面レベル
検出器２３に連結する湯面レベルセンサー１７を
取付け、上部に該レベルセンサーと連動して該対
電極先端と溶融金属表面との間隔を所望寸法に制
御する位置調節装置２０を取付け、その下部周囲
に、大気遮蔽用円筒１８を取付けていて、該大気
遮蔽用円筒は、前記集光用円筒が溶融金属に対し
て所定集光置にあるとき、下端を溶融金属内に浸
漬し得る長さをもち、上部に不活性ガス排出口１
２を有していることを特徴とする溶融金属の直接発光分光分析装
置である。

先づ、本発明装置に至るまでに行つた実験につ
いて述べる。

スパークなどの電気的放電に基づく発光分光分
析では、対電極先端と金属試料表面との間隙を一
定に保たなければ、発光強度が変動して精密な分
析値が得られない。固体ブロツク試料を対象とす
る発光分光分析では、この電極間間隙を一定に保
つことが容易であるが、溶融金属を対象とする場
合は湯面が変動するので一定に保つことはできな
い。

本発明者は、実験を重ねた結果励起光の集光角
度を選ぶことによつて溶融金属を対象とする場合
に、さけられない電極間間隙の変動の影響を大幅
に緩和吸収できることを見い出した。

固体ブロツク試料を対象とするスパーク発光分
光分析では、試料表面に対して30度の角度から集
光しており、前述の米国特許では溶融金属表面に
対して30度あるいは水平方向からの集光を示して
いる。

本発明者はスパーク励起光を各角度から集光で
きる実験装置を開発して鉄を対象に電極間間隙と
各角度に於る励起光強度との関係について詳細に
調査した。実験結果の一例を第１図に示す。この
図では横軸に各集光角度に於ける電極間間隙を、
縦軸に鉄中の各成分に起因する各スペクトル線強
度の鉄のスペクトル線強度に対する比をとり、間
隙を2.5mmから4.5mmに変えた時の強度比の増加割
合を示してある。この図において、例えば、Si
288.2／Fe271.4についてみれば、288.2mmのSiス
ペクトル線強度の271.4mmのFeスペクトルに対す
る強度比が、間隙を2.5mmから4.5mmに変えた時、
集光角度90度では4.4％、60度では12.8％、30度
では30.4％変化することを示している。第１図の
各個所のグラフから、各成分ともに湯面に対して
90度の垂直方向からの集光の場合が、電極間間隙
の影響を最も受けにくいことが明らかになつた。
そして、この90゜という角度にすると実際の装置
としても、湯面に対して水平方向や30度の角度か
ら集光の場合に比べ、発光チヤンバーの湯面に対
する位置設定が容易であり、かつ角度設定が確実
に行え、輻射熱の影響を最も受けにくいなどの利
点があることが知られた。

次に本発明装置の実施例装置を示す第２図によ
り本発明装置の詳細について説明する。

本装置は、溶融金属２２と対電極７の間に高電
圧をかけてスパークなどの電気的放電を行わせる
発光チヤンバー１、高電圧を発生させる発光シス
テム２４、発生した励起光を集光するレンズ５、
励起光を分光器へ伝送する光フアイバー６及び励
起光を分光して各スペクトル線強度から溶融金属
中の各成分の含有率を求める分光検出器２５など
を主体に構成される。

発光チヤンバー１は本発明の主要部であり、下
方部分に集光レンズ５を有し、該集光レンズの上
方にあり該レンズ５と同軸に設けた受光端面８を
もつ光フアイバーケーブル６の下端部を保持固定
している集光用円筒４、この集光用円筒４を高熱
から保護するために内包して保持する上部及び下
部保護円筒２，３、湯面レベルセンサー１７、該
湯面レベルセンサー１７を外面側にもち、前記下
部保護円筒３に固着していて、該円筒３の下部
３′を囲繞している大気遮へい用円筒１８、前記
の上部保護円筒２に係合している電極間間隙調整
装置２０及び集光用円筒４内に不活性ガスを吹き
込むためのガス吹き込み管９などから構成されて
いる。

集光用円筒４はステンレス製の密閉状円筒管
で、垂直に設置されている上部保護円筒２に取り
付けてあり、下端面は湯面に対向している。該集
光用円筒４内に固定されている光フアイバーの受
光端面８の中心と該集光用円筒４の下部に固定し
てある集光レンズ５の中心及び該集光用円筒に固
装され斜上方から湯面に向つてのびている対電極
７の先端７′とは一直線上にあり、励起光の集光
を確実に行うことができる。光フアイバーの受光
側端は、振動等によつて光軸がずれないように固
定金具でしつかりと集光用円筒に保持してありそ
の周囲には、不活性ガス通過孔１０をもつてい
る。

光フアイバーケーブル６には、直径200μｍの
石英製素線を約130本束ねたバンドルフアイバー
を用いてある。その材質は、溶融金属に適用する
のであるから紫外域の光を十分に透過する材質で
作つたものが適している。光フアイバーケーブル
６の末端は分光検出器入口スリツトで結像させる
ためのレンズ（図示せず）を介して分光検出器２
５に結合される。光フアイバーケーブルを用いて
いるのでレンズ系による光伝送に比べて光軸変動
の心配がないという利点があり、さらに数10ｍの
屈曲通路を通つて伝送を行う場合にも光フアイバ
ーは可とう性をもつので、支障なく設置すること
ができる。

集光レンズ５は集光用円筒４の下部に、周囲に
不活性ガス吹き出し孔１１を設けた固定具でしつ
かりと保持固定されている。

集光筒４の上部に設けた不活性ガス吹き込み管
９から20／min程度速度で吹き込まれたArガ
スは、集光筒内をAr雰囲気に保ち、吐出孔１１
から高速で吹き出す。この吹き出したArガスは
溶融金属から蒸発した金属によるレンズ５表面の
汚れを防止し、空冷作用と対電極７の先端部の大
気の追い出し作用をする。

保護円筒は一体ものでもよいが冷却効率をよく
し、又いたみ易い下部の交換が容易なように本実
施例では上部保護内円筒２及び下部保護内円筒３
に分割してある。上部保護円筒２は、ステンレス
製の３重管でできており、空気又は水などの冷却
媒体を管１３から供給し、３重管の管の間を通つ
て管１５から排出して該円筒２を冷却することが
できる。側部には、発光チヤンバー１を支持する
台２６が取り付けられ、この部分にモーターを駆
動源として発光チヤンバーを上下に移動させ、対
電極７の先端と湯面との電極間間隙を調整する装
置２０を取り付けてある。

下部保護円筒３はステンレス製の３重管ででき
ており、管１４から冷却媒体を供給し、該３重管
の間を通つて管１６から排出して該下部保護円筒
の強制冷却を行うことができる。下部保護円筒３
の外壁にはマグネシア等の耐火材を被覆して耐熱
性をもたせてある。

試料電極２１と共に高圧ケーブルで発光システ
ム２４に結線しており、絶縁材を被覆したタング
ステン製の対電極７を湯面に向つて下部保護円筒
の側壁に挿入して取り付けてあり、該対電極先端
７′が位置する下部保護円筒３の下端部は湯面に
対向して開口している。この開口部１９は溶融金
属の輻射熱や測光に不要な光をさけるために15mm
程度に口径をしぼつた大きさにするのがよい。対
電極先端７′と溶融金属表面との間隙は測定時に
は通常10mm以下であり、従つて開口部１９も湯面
に近いところにあり、集光用円筒４下部の吐出孔
１１から吹き出したArガスは開口部１９から湯
面上に吹き出され、放電区域及びその附近の空気
を追い出して放電しやすい不活性ガス雰囲気を形
成することができる。

上部が下部保護円筒３に固定され、下端部が測
定時に溶融金属２２中に浸漬される長さをもち下
部保護円筒３の下部３′を囲繞する耐火物製の大
気遮へい用円筒１８を取り付けてある。下端部が
浸漬している時は開口部１９から吹き出したAr
ガスは、大気遮へい円筒１８の上部に設けた排出
口１２から排出され、開口部１９の対電極先端周
辺は確実に不活性雰囲気に保たれ、正常な放電が
行われる。又実施にあたつては、予め耐火板等を
駆動させて大部分のスラグを湯面から機械的に排
除したのち、チヤンバー１を下降させて円筒１８
を該排除済の湯面に浸漬させる。仮に多少残留す
るスラグがあつても開口部１９から吹き出すAr
ガスによつて大気遮へい用円筒の側壁の方向へ残
存スラグは容易に排除され、開口部１９に於ける
スパーク放電に支障はなくなる。

下部保護円筒３には電極と溶融金属との間隙を
一定にして発光チヤンバー１を所定高さに設定す
るための湯面レベルセンサー１７が取り付けてあ
る。湯面レベルセンサーには静電容量、測温、光
や超音波を利用したものなどいずれのものを用い
てもよい。湯面レベルセンサーからの信号を受け
る湯面レベル検出器２３は、電極と溶融金属との
間隙調整装置２０と結線されており、検出された
湯面レベルに応じてチヤンバー１を上下に移動さ
せ、電極間隙を常に一定に保持することができ
る。

本実施例装置に示したように励起光を直上方向
から集光する構成と湯面レベルセンサーを含む間
隙自動制御構成との併用により、励起光強度に及
ぼす電極間間隙の影響をほとんど解決することが
できた。

本実施例装置で溶融金属の分析を実施するにあ
たつては、先ず冷却水を流し、Arガスを流して
発光チヤンバー内をArガスで満たしておく。次
にチヤンバー１を下降させ、湯面レベルセンサー
１７と電極間間隙調整装置２０を作動させて、対
電極７の先端と湯面との間隙を２〜10mm程度の範
囲内の所望間隙に保持させる。発光システム２４
を作動させて対電極先端と溶融金属２２表面間に
周波数200〜800Hz程度のスパーク放電を行わせ、
最初の３〜５秒程度を予備放電として捨て、その
あとの５〜10秒間程度に於ける励起光強度を分光
検出器２５で測定し、各成分のスペクトル線強度
をマトリツクス成分のスペクトル線強度で比をと
るなどの補正を行つて、溶融金属中に含まれる各
成分の含有率を求める。

以上説明したように本発明装置によれば前記諸
効果を奏し、これにより溶融金属試料中の各含有
成分をサンプリング等の煩雑な操作を行わずに迅
速に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貢献するところ大であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は溶融金属中含有諸成分のスパーク発光
強度に及ぼす集光角度と電極間間隙についての実
験結果の一例を示し、第２図は、本発明実施例装
置の縦断面図である。１は発光チヤンバー、２は上部保護円筒、３は
下部保護円筒、４は集光用円筒、５は集光レン
ズ、６は光フアイバーケーブル、７は対電極、１
８は大気遮へい用円筒、２０は電極間間隙調整装
置、２１は試料電極、２２は溶融金属、２３は溶
湯面レベル検出器、２４は溶融金属と対電極との
間にスパークを発生させるシステム、２５は分光
検出器を示す。

Claims

【特許請求の範囲】１集光用円筒４と、該円筒の外側にあつてこれ
を内包し保護する保護円筒２，３とを含んで成
り、該集光用円周４は、その上端部に不活性ガス吹
込管９を備え、その下端面は溶融金属表面の直上
方向に位置し、その下端部には、周囲に不活性ガ
ス吹出孔１１を有する励起光集光レンズ５を有
し、該集光レンズの上方には、上方末端が分光検
出器２５に接続する光フアイバーケーブル６の受
光端面８が固定され、該端面の周囲には不活性ガ
ス通過孔１０が設けられており、該保護円筒は、最外周壁が耐火材製の多重周壁
を有し、壁間を冷却流体が通過できる構成とし、
その下端には、溶融金属２２表面に対向する開口
部１９が形成されており、該周壁には、該開口部
の中心にその先端が位置し且つ斜め上方から該開
口部に向つてのびその上端が、溶融金属２２と当
該対電極７との間にスパークを発生させるシステ
ム２４に接続する対電極７が固定されていて、前
記集光レンズ５の光軸は該対電極７の先端と合致
しており、さらに該保護円筒は、その下部に、湯面レベル
検出器２３に連結する湯面レベルセンサー１７を
取付け、上部に該レベルセンサーと連動して該対
電極先端と溶融金属表面との間隔を所望寸法に制
御する位置調節装置２０を取付け、その下部周囲
に、大気遮蔽用円筒１８を取付けていて、該大気
遮蔽用円筒は、前記集光用円筒が溶融金属に対し
て所定集光位置にあるとき、下端を溶融金属内に
浸漬し得る長さをもち、上部に不活性ガス排出口
１２を有していることを特徴とする溶融金属の直接発光分光分析装
置。