JP6465952B2 - ホットメタル用のサンプラー - Google Patents

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Description

本発明は、特に発光分光計で直接分析可能な、ホットメタル、特に高炭素含有量を有す溶融鉄の亀裂のない凝固サンプルに関する。本発明はまた、急速冷却して亀裂又は表面処理のない迅速なロボット支援分析に好適な金属片を作製できる溶融サンプルを回収するためのホットメタル浸漬サンプリング装置の物理的配置に関する。
鋼の冶金処理の間、高炉から得られるホットメタル（ｈｏｔ ｍｅｔａｌ）として一般に知られている溶融鉄は、転炉で行われる次の製鋼プロセスへの原料として使用される。高炉からのバッチ量で得られるが、ホットメタルは、転炉に投入される前に、他の鉄バッチと混合されることがあり、又はその化学的性質を変えるために処理されることがある。したがって、処理中の化学組成を決定するため、及び転炉プロセスの質量とエネルギー収支における使用のために、ホットメタルのサンプルを抽出することが有利である。化学分析のためのホットメタルのサンプルを抽出するための装置は、当該技術分野において周知である。そのような従来技術の参考文献の一例は、米国特許第３，９９６，８０３号である。
製鉄所の化学実験室には、金属サンプルの元素組成を決定するためのさまざまな分析装置がある。金属サンプルを分析するために最も広く使用されているプロセスは、発光分光法（以下、「ＯＥＳ」ともいう。）によるものである。その迅速な分析時間及び固有の精度のために、ＯＥＳシステムは、金属サンプルの化学組成を決定し、溶融金属の処理を制御するための最も有効なシステムである。しかし、高濃度の炭素及びケイ素を含む高炉のホットメタルのサンプルは、典型的には、ＯＥＳではなくＸ線蛍光分光法によって分析される。
ホットメタルサンプルと一緒に使用するためのＯＥＳ以外の分析装置の選択は、抽出されたサンプルの金属組織学的構造によって決定される。典型的には、ホットメタルサンプラーは、キャリアチューブ上に取り付けられ、２つの厚い金属チルプレートによって形成されるサンプリングチャンバにホットメタルが入るための側面入口を有する低コストのサンプリング装置である。サンプルは、サンプラー装置をホットメルトから引き抜いた後、サンプリングチャンバを取り囲むサンドボディを粉砕することによって容易に取り出すことができる。ホットメタルは、サンプリングチャンバに入ると直ちに凝固する。凝固の間に、気泡及び望ましくない含有物がサンプルの頂部に上昇するので、凝固したサンプルの底面が分析に使用される。急速冷却により、一様に冷却されたサンプルが得られ、光学分光計による信頼性の高い分析のためのすべての仕様に適合する。
当該技術分野で知られているホットメタルサンプラーは、典型的には、周長３５ｍｍ、厚さが４ｍｍから１２ｍｍまでのコイン状サンプルを提供し、場合によっては燃焼分析のために４ｍｍ又は６ｍｍのピンを備える。固体への冷却の間、溶融サンプルは多数の析出反応を受け、それにより鉄の化学組成及び液体金属の凝固温度への冷却速度のために異なる凝固構造が生じることが当該技術分野で知られている。サンプリング時の浴温は１２５０℃〜１５００℃の範囲にあり得るので、単一の従来のサンプリング装置は異なる凝固構造をもたらすことがあり得る。
支配的な凝固構造は、鋳造された金属中の炭素の形態で決定される断面の外観から命名される。
具体的に、共晶組成以上の高炭素鉄については、炭素は冷却中に溶液から鱗状黒鉛の形態で析出し、それによりその外観及び名称をもたらす：ねずみ鋳鉄。共晶組成より低い鉄組成についても、金属が黒鉛を含有する場合には、ねずみ鋳鉄が生成する可能性がある。促進剤（例えば、ケイ素及びリンのような元素）は、高炉鉄のような適切な組成物中に存在する場合、ねずみ鋳鉄構造に向かう凝固に影響を及ぼすために使用される。ねずみ鋳鉄は、発光分光計の分析には適していない。
別の凝固構造は鉄の急冷中に起こり、そこでは、溶解した炭素は析出し、その光沢のある銀の外観の結果として、白鋳鉄又はチル鋳鉄が得られる。鋳鉄が炭化鉄／オーステナイト共晶の析出によって凝固すると、白鋳鉄又はチル鋳鉄が発生する。白色構造が形成されるためには、支配的なねずみ鋳鉄の共晶は、白鋳鉄共晶より低い温度に過冷却することによって抑制されなければならない。そのような冷却の程度は、白鋳鉄共晶組成物が核形成され、ねずみ鋳鉄共晶に優先して成長するようなものでなければならない。冷却による抑制がわずかに不十分であるか、又は遅すぎて黒鉛の析出が既に始まっている場合、金属は白色構造で冷却されるが黒鉛が点在する。これはまだら鋳鉄と呼ばれ、ねずみ鋳鉄でも白鋳鉄でもない。まだら鋳鉄の特性は、早期冷却の速度及び接種の程度に依存して変化する。このタイプの鉄構造の分析は、分析の位置及び冷却表面への近接度に応じて、不正確な結果を生じる。
米国特許第３，４０６，７３６号は、まだらを避けるために添加剤が使用される装置を記載している。しかし、接種は、浸漬サンプリング装置において均一に達成することが困難な、金属に対する添加物から生じるプロセスであり、その結果、初期のホットメタル中に存在しなかった元素がサンプルに添加されることになる。
添加物を使用せずにホットメタルサンプル採取装置内の白色凝固を促進するために、高質量及び／又は高導電率の固体金属を使用して、ホットメタルが鋳込まれる鋳型を形成しなければならず、それによって必要な冷却が提供されなければならない。直接分析（ＤＡ）サンプラーと呼ばれる非常に高い凝固速度のサンプリング装置から、驚くべき結果は得られる。これらの結果は、純粋な白鋳鉄の構造が、１５２５℃の高い温度から冷却された黒鉛促進元素を含む高炉鉄から反復的に得られ、発光分光計によって正確に分析できることを示している。
大まかに言えば、OES分析手順は、導電性金属サンプルがその分析面が下向きでＯＥＳ機器、すなわち発光分光計、のステージの所定の領域に面した状態で配置されることから始まる。より具体的には、サンプルは、分光計の分析開口部を跨いで閉じ、アノードがサンプルの分析表面にほぼ接するように配置される。サンプルの所望の位置決め及びアノードと分析表面の近接が達成されると、アノードと分光計ステージに電気的に接続された導電性金属サンプルとの間にスパークが放出される。この接続は、ほとんどの場合、重力と小さな荷重を加えて作られている。発光分光器の分析開口は、典型的には約１２ｍｍ幅である。この距離は、アノードと機器ハウジングとの間のスパークアークを回避する。光検出器は、サンプル表面の掘削された材料から放出された光を受け取る。アノードと金属サンプルとの間の空間によって部分的に形成されたスパークチャンバは、アルゴン又は他の不活性ガスで連続的にパージされ、誤った分析値につながる空気侵入を回避する。
分光器の分析開口部を横切って平らにするために、金属サンプルの拡大は許されず、金属サンプルの分析表面は滑らかでなければならない（すなわち、分析面の平面を壊すサンプルハウジングの部分の存在は許されない）。サンプルは、分光計の分析開口部に広がっていなければならず、スパークチャンバの不活性ガスパージを容易にし、アノードに向かって連続したサンプル表面を提供するのに十分な平坦性を有する必要がある。
直接分析（ＤＡ）サンプラーは、ＤＡサンプルを生成する新たに開発されたタイプの溶融金属浸漬サンプラーである。ＤＡサンプルは、分析前に何ら表面処理を必要とせず、そのため、ＯＥＳ分析方法を利用することにより、タイムリーな化学結果の入手可能性及び実験室時間の節約の両方において大きな経済的利益をもたらすことができる。
米国特許第９，１２８，０１３号は、溶鋼槽からＤＡ型サンプルを採取するためのサンプリング装置を開示している。サンプリング装置は、少なくとも２つの部分によって形成されたサンプルチャンバを含む。同様のＤＡ型サンプラーは、米国特許出願公開第２０１４／３１８２７６号から公知である。このＤＡ型サンプラーのサンプルキャビティの一端は、流入導管を介してサンプラーを浸漬する間に溶融金属浴に接続され、一方、サンプルキャビティの反対側の端部はカップリング装置と連通している。浸漬の間、サンプルキャビティを溶融金属で充填する前に、サンプルキャビティを不活性ガスでパージして、サンプル材料の早期充填及び酸化を回避する。流入導管は、サンプルキャビティの平坦な表面に対して垂直に配置される。サンプルキャビティの通気は、浸漬方向に対してサンプルキャビティの分析表面の下に配置される。
このような従来のサンプリング装置は、無処理のＯＥＳ分析に適した鋼サンプルを回収するのに適しているが、黒鉛化元素を含むホットメタルから純粋な白色凝固構造をもたらすのに必要な冷却速度は、得られたサンプルの表面に沿った亀裂、ないしその厚さにまたがる亀裂をもたらすことが知られている。これは、ＯＥＳの励起スパークが割れた表面に入射すると、誤った結果を生じるため、問題である。また、ＯＥＳによって分析される金属サンプルは、分析表面を下にして置かれる。最も極端な場合、亀裂により、サンプルの本体から金属片が脱落し、ＯＥＳスパーク領域に落ちることがある。典型的な製鉄所の実験室におけるロボット装置は、この種の装置汚染を処理するのに不十分である。
また、従来のサンプリング装置によって生成されたサンプルは、分光器開口に平行な方向に少なくとも３２ｍｍの直径を有し、分光器開口に垂直な方向に４〜１２ｍｍの厚さを有する。このような寸法は、金属サンプルの分析表面を機械的に粉砕して表面から酸化物を浄化し、必要な平坦なトポグラフィを提供する事前分析準備装置によって容易に処理することができる。この形状は、サンプルを準備から分析、除去まで進めて次のサンプルを待つロボットマニピュレータにとっても便利である。典型的な製鉄所の実験室におけるロボット装置は、根本的に異なるサンプル形状を受け入れるように修正することが困難である。
しかし、従来技術のサンプル容積は、必要最小限の分析表面積に到達するのに必要な金属の最小容積よりも大きい。したがって、従来技術の装置のサンプル容積は、酸化物のない表面を得るために必要な溶融金属サンプルの急速凝固を妨げる。このように、従来の装置は、表面処理なしでＯＥＳによって確実に分析することができない。大量の冷却プレート及びサンプラーハウジングを使用して回収後の大量の金属サンプルを低温にすることは、迅速な脱型の点では実用的でなく、浸漬サンプリング装置としての使用には不経済である。
したがって、ホットメタルをサンプリングし、亀裂のない凝固したホットメタルのサンプルを形成するために使用することができるＯＥＳ分析用のＤＡタイプのサンプルを提供することが有益である。純粋な白色凝固構造（すなわち、黒鉛析出のない構造）を促進するのに必要な急速冷却の程度に耐えることができ、かつ亀裂がなく、ひいてはＯＥＳによる分析することができるホットメタルの無処理サンプルを作製するＤＡタイプのサンプラーを提供することが有益である。
また、空気圧補助不活性ガスパージ装置に迅速に接続することができ、かつ減圧金属摂取を示し、冶金容器内のホットメタルから無処理サンプルを回収するための溶融金属浸漬装置を提供することも有益である。特に、容易に得られ、浸漬装置ハウジングから迅速に除去され、サンプルチャンバから脱型され、追加冷却や準備なしで直接ＯＥＳにより分析される溶融金属サンプルを製造するための溶融金属浸漬装置を提供することは有益であり、それにより費用対効果が高い。
米国特許第３９９６８０３号明細書 米国特許第３４０６７３６号明細書 米国特許第９１２８０１３号明細書 米国特許出願公開第２０１４／３１８２７６号明細書
本発明は、長手方向軸に平行な浸漬方向にホットメタルで充填され、かつ現地で分析される白色構造のホットメタルサンプルを生成する急速冷却サンプラーに関する。この構成は、ここでより詳細に説明されるように、現時点で分析可能な表面が特定の寸法であることを必要とする既存の発光スペクトル分光器を最大限に活用し、また、金属サンプルを最小限の労力で除去し、脱型するために、前述のキャリアチューブに適合する最適な形状を提供する。
要約すると、以下の実施形態は、本発明の範囲内で特に好ましいものとして提案される。
実施形態１：溶融金属浴、特に溶融鉄からサンプルを採取するためのサンプラーであって、
浸漬端部を有するキャリアチューブと、
前記キャリアチューブの浸漬端部に配置されるサンプルチャンバのアセンブリであって、カバープレートとハウジングを有するサンプルチャンバのアセンブリとを備え、
前記ハウジングは、
流入導管用の第１開口部を有する浸漬端部と、ガスカプラー用の第２開口部を有する反対端部と、
前記浸漬端部と前記反対端部との間に延在する第１の面とを有し、
前記第１の面は、前記浸漬端部に近接する第１の窪みと、第２の窪みとを有し、前記第１の窪みは分析ゾーンであり、第２の窪みは通気ゾーンであり、前記分析ゾーンの一部は、前記第１開口部と直接流れ連通し前記流入導管からの前記溶融鉄を受け取るように構成された分配ゾーンの上にあり、
前記分析ゾーンの深さは０．５〜１．５ｍｍであり、
前記カバープレートと前記ハウジングは、前記分配ゾーン、前記分析ゾーン及び前記通気ゾーンを含むサンプルキャビティを形成するように組み立てられて構成され、
組み立てられた前記カバープレートと前記ハウジングは、その中に受け取られた前記溶融鉄を凝固した白色組織金属サンプルに冷却し、前記凝固した白色組織金属サンプルの分析表面が第１平面内にあるように構成され、
前記第１及び第２開口部は、前記第１平面から離間している
ことを特徴とするサンプラー。
実施形態２：前記サンプルキャビティと前記第１及び第２開口部は、共通の長手方向軸に沿って一列に整列していることを特徴とする上記の実施形態のサンプラー。
実施形態３：前記分析ゾーン、前記分配ゾーン及び前記通気ゾーンは、連続した複数のセグメントとして構成され、各セグメントが長さ対深さ比を有し、前記各セグメントの前記長さ対深さ比の和が２５より大きいことを特徴とする上記の実施形態のいずれかのサンプラー。
実施形態４：前記分配ゾーン、前記分析ゾーン及び前記通気ゾーンは、連続した複数のセグメントとして構成され、各セグメントが長さ対深さ比を有し、前記各セグメントの前記長さ対深さ比は、前記第１開口部からの距離が増加するにつれて漸次増加することを特徴とする上記の実施形態のいずれかのサンプラー。
実施形態５：前記分配ゾーンの端部から前記ガスカプラーに向かう前記溶融鉄の流れ方向において、前記サンプルキャビティの少なくとも一部の幅寸法が増加しないことを特徴とする上記の実施形態のいずれかのサンプラー。
実施形態６：前記分析ゾーン及び前記通気ゾーンの全長が２０〜５０ｍｍ、好ましくは３０ｍｍの長さであることを特徴とする上記の実施形態のいずれかのサンプラー。
実施形態７：前記分析ゾーンは、前記分配ゾーンの上方に均一な深さを有することを特徴とする上記の実施形態のいずれかのサンプラー。
実施形態８：前記分析ゾーンの少なくとも一部の断面積が前記溶融鉄の流れ方向に徐々に先細りになることを特徴とする上記の実施形態のいずれかのサンプラー。
実施形態９：前記通気ゾーンの断面積が前記溶融鉄の流れ方向に徐々に先細りになることを特徴とする上記の実施形態のいずれかのサンプラー。
実施形態１０：前記サンプルチャンバの質量と、サンプル収集領域内に受け取られた金属の質量との比が９〜１２、好ましくは１０であることを特徴とする上記の実施形態のいずれかのサンプラー。
実施形態１１：前記カバープレートは、前記サンプルチャンバの質量の１０〜２０％を占めることを特徴とする上記の実施形態のいずれかのサンプラー。
実施形態１２：前記流入導管の断面積が、前記分配ゾーンの断面積の０．２０〜０．７０倍、好ましくは０．５５倍であることを特徴とする上記の実施形態のいずれかのサンプラー。
実施形態１３：前記分配ゾーンの底面は、前記分析ゾーンの閉鎖底端と４０〜９０°、好ましくは６０°の角度で交差することを特徴とする上記の実施形態のいずれかのサンプラー。
実施形態１４：前記カバープレートは、前記カバープレートと前記ハウジングとの間に実質的に気密シールを提供するように構成されたシール部材を含むことを特徴とする上記の実施形態のいずれかのサンプラー。
実施形態１５：前記カバープレートは、金属クランプによって前記ハウジングに固定され、前記サンプルチャンバを形成することを特徴とする上記の実施形態のいずれかのサンプラー。
実施形態１６：前記サンプルキャビティの開口部は前記第１及び第２開口部のみによって形成され、前記流入導管の端部が前記第１開口部内に固定され、前記ガスカプラーの端部が前記第２開口部内に固定されることを特徴とする上記の実施形態のいずれかのサンプラー。
実施形態１７：前記流入導管の断面積が前記分析ゾーンの断面積の０．５〜２倍であることを特徴とする上記の実施形態のいずれかのサンプラー。
実施形態１８：前記流入導管、前記分配ゾーン、前記分析ゾーン、前記通気ゾーン及び前記ガスカプラーが、この順番で、前記溶融鉄の流れ方向に連続して配置されていることを特徴とする上記の実施形態のいずれかのサンプラー。
実施形態１９：前記ハウジングの前記第１の面は、そこから突き出る突起を有し、前記突起が前記通気ゾーン、前記分析ゾーン及び前記分配ゾーンを取り囲むことを特徴とする上記の実施形態のいずれかのサンプラー。
実施形態２０：前記カバープレートと前記ハウジングとが組み立てられると、前記カバープレートは、前記第１の平面に沿って前記ハウジングの前記突起と面一になることを特徴とする上記の実施形態のいずれかのサンプラー。
前述の概要、及び以下の本発明の好ましい実施形態の詳細な説明は、添付の図面と併せて読めばよりよく理解される。説明の目的のために、図面には好ましい実施形態が示されている。しかしながら、装置及び方法は、示されている特定な構成及び手段に限定されないことを理解されたい。
図１は、本発明の一実施形態による浸漬方向に配向された浸漬サンプリングプローブの側面図である。 図２は、図１の浸漬サンプリングプローブの平面図である。 図３は、空気圧ラインを含むプローブホルダに接続するためのガスコネクタを備えた図１の浸漬サンプリングプローブの側面図である。 図４は、図１の浸漬サンプリングプローブの２つの部分からなるサンプルチャンバのハウジングの正面図である。 図４Ａは、図４に示すサンプルチャンバのハウジングの底面図である。 図１の浸漬サンプリングプローブの２つの部分からなるサンプルチャンバのカバープレートの正面図である。 図５Ａは、図５に示すサンプルチャンバのカバープレートの底面図である。 図６は、図３の浸漬サンプリングプローブのサンプルキャビティの長手方向軸に平行な平面に沿った横断面側面図である。 図７は、凝固したホットメタルのサンプルを収容し、無処理のＯＥＳ分析に適したサンプルチャンバのハウジングの正面図である。 図７Ａは、図７に示すサンプルチャンバのハウジングの側面図である。 図８は、本発明の別の実施形態による２つの部分からなるサンプルチャンバのハウジングの正面図である。 図８Ａは、図８に示すサンプルチャンバのハウジングの底面図である。 図８〜８Ａのサンプルチャンバのハウジングと組み立てられるように構成されたカバープレートの正面図である。 図９Ａは、図９に示すサンプルチャンバのカバープレートの底面図である。 図１０は、図４のサンプルチャンバのハウジングのサンプルキャビティの、サンプルキャビティの長手方向軸に垂直な平面に沿った断面図である。そして、 図１１は、図４のサンプルチャンバのハウジングのサンプルキャビティの、サンプルキャビティの長手方向軸に平行な平面に沿った、縮尺が一定でない断面図である。
本発明は、ＯＥＳによる直接分析のためのホットメタルのサンプルにアクセスする浸漬サンプリングプローブに関する。
図１を参照すると、浸漬サンプリングプローブ１０、より具体的にはホットメタルサンプリングプローブ１０が示されている。最も具体的には、プローブ１０は、ホットメタルに浸漬してサンプリングするのに適している。プローブ１０は、測定ヘッド５を含む。測定ヘッド５は、樹脂結合珪砂からなることが好ましい。しかしながら、当業者には、測定ヘッド５は、ホットメタルに浸漬されるべき物体を形成するのに適していることが知られている任意の材料で作ることができることが理解できる。
測定ヘッド５は、キャリアチューブ１に支持されている。好ましくは、キャリアチューブ１は紙キャリアチューブである。使用時には、好ましくはプローブホルダ又はランス（図示せず）がキャリアチューブ１の内部容積に挿入されて、測定ヘッド５を浸漬方向Ｉにおいてホットメタルの浴の表面の下に浸すのに必要な機械的作用を提供する（図示せず）。
測定ヘッド５は、ホットメタルのサンプルを収集し回収するためのサンプリングチャンバ３を備えている。ここで、サンプルチャンバ３は浸漬サンプリングプローブ１０に関して説明しているが、サンプルチャンバ３は、任意のタイプの溶融金属サンプリング装置と共に利用されてもよいことは当業者には理解できる。したがって、ここに記載されたサンプルチャンバ３の組み立て及び構成は、浸漬サンプリングプローブ１０だけでなく、任意のタイプの溶融金属サンプリング装置に適用可能である。
好ましくは、サンプルチャンバ３は、２の部分からなるサンプリングチャンバである。より詳細には、図２を参照すると、サンプルチャンバ３は、ハウジング３０とカバープレート３２とから構成される。ハウジング３０は、好ましくは、良好な熱伝導性及び電気伝導性である１つ以上の材料で形成され、例えば、限定的ではないが、アルミニウム、銅、及び回収された金属サンプルに電気的に結合されるための、類似の熱伝導率及び電気伝導率特性を有する他の金属で形成される。好ましくは、ハウジング３０はアルミニウム製である。カバープレート３２の質量は、好ましくは、サンプルチャンバ３の全体の質量の１０〜２０％を占める。ハウジング３０は、識別手段を用いて破壊できない方法で印を付けることができる。
サンプルチャンバ３の２つの部分３０、３２は、好ましくは、サンプリングチャンバ３の２つの部分３０、３２がサンプルチャンバ３内に流入して充填するホットメタルの力により分離する傾向に抵抗するのに十分な圧縮力でクランプ４（クリップとも呼ばれる）によって一緒に保持される。クランプ４は、好ましくは金属クランプである。しかし、当業者には、クランプ４は、ホットメタルに浸漬することができ、必要な圧縮力を提供する別の適切な材料で作ることができることが理解できる。
図１を参照すると、測定ヘッド５は、第１端部１２及び対向する第２端部１４を有する。測定ヘッド５の第１端部１２は、浸漬端部に対応する。測定ヘッド５の第２端部１４は、ランス又はプローブホルダに面するように構成される。サンプルチャンバ３は、第１端部１６と、対向する第２端部１８とを有する。サンプルチャンバ３の第１端部１６は、浸漬端部に対応する。当業者であれば、「浸漬端部」という語句は、浸漬方向Ｉにおいて最初にホットメタル中に浸漬される本体の端部を意味することが理解できる。
サンプルチャンバ３は、ここでより詳細に説明するように、溶融金属を受け取るように構成されたサンプルキャビティを含む。サンプルキャビティは、長手方向軸Ｘ（図４参照）に沿ってサンプルチャンバ３の第１端部１６の近くから第２端部１８に渡って延在する。
サンプルチャンバ３の第１端部１６は、好ましくは、流入導管７に取り付けられているか、又は流入導管７を備えている。より詳細には、サンプルハウジング３０の第１端部１６は、流入導管７を受け入れるための第１開口部２０を有する（図４参照）。第１開口部２０、ひいては流入導管７は、好ましくはサンプルチャンバ３、より具体的にはサンプルキャビティと一列に整列される。流入導管７はホットメタル浴からサンプルチャンバ３へのホットメタルの流れを可能にする。これにより、ホットメタルは、サンプルキャビティの長手方向軸Ｘに平行な浸漬方向で、サンプルチャンバ３のサンプルキャビティに導入される。流入導管７は、好ましくは石英材料、より好ましくは溶融石英材料で作られる。しかしながら、流入導管７は、セラミック材料を含むが、これに限定されない任意の他の適切な材料から作製されてもよいことが理解できる。
流入導管７は、第１端部（図示せず）と、対向する第２端部２２（図４〜４Ａ参照）とを有する。一実施形態では、流入導管７は、ブッシング６（図１参照）によって測定ヘッド５内に固定される。ブッシング６は、好ましくは、セメント材料で作られている。流入導管７の第２端部２２は、接着剤２７によって実質的に気密にサンプルチャンバ３内に接着又は取り付けられている。より具体的には、流入導管７の第２端部２２は、完全にサンプルチャンバ３のハウジング３０の第１開口部２０内に配置され、接着剤２７によって接着され、実質的に気密な接合を達成する。「実質的に気密」とは、シール又はジョイントが完全に気密、又はかなりの程度で気密であることを意味する。特に、流入導管７とガスカプラー２との接合（ここで記載）に関して、形成された接合部は、好ましくは、サンプルキャビティが浸漬深さの圧力レベルを超えて加圧され得る程度に気密である。
図１及び図３に示すように、流入導管７の第１端部は浸漬端部に対応する。第１端部は、第１保護キャップ８によって覆われているので、図１及び図３では見えない。より詳細には、第１保護キャップ８は、接着剤１１によって実質的に気密に流入導管７の第１端部に取り付けられている。第１保護キャップ８は、金属製であるのが好ましく、鋼製であるのがより好ましい。第１保護キャップ８は、サンプルキャビティが十分にパージされ、全ての閉じ込められた空気がそこから排出されることを保証するための開口部（図示せず）（例えば、直径１ｍｍの穴）を含むことができる。第２保護キャップ９は今度、第１保護キャップ８を覆う（より具体的には、包む）。第２保護キャップ９は、測定ヘッド５の第１端部１２に取り付けられる。好ましくは、第２保護キャップ９は、金属、より好ましくは、鋼で作られる。一実施形態では、第２保護キャップ９は、紙の被覆によってさらに保護される（図示せず）。
図１、２及び４を参照すると、サンプルハウジング３０の第２端部１８は、カプラー２、より具体的にはガスカプラー２を受けるための第２開口部３３を含む。したがって、第２開口部３３は、好ましくはハウジング３０内に完全に収容されるガスポートである。カプラー２は、実質的に気密な接合を達成するために、接着剤２６によってサンプルチャンバの第２端部１８のガスポート３３内でハウジング３０にシールされる。したがって、カプラー２の端部は、完全にサンプルチャンバ３のハウジング３０の本体内に配置される。
カプラー２は、導管（図示せず）、より具体的にはガス導管と結合するように構成される。より具体的には、ガス導管の第１端部がカプラー２に取り付けられ、ガス導管の反対側の第２端部が空気圧システムに取り付けられる（図示せず）。空気圧システムは、好ましくは、不活性ガスを、ガス導管を介してサンプルチャンバ３に供給し、サンプルチャンバ３をパージして加圧する。サンプルチャンバ３をパージ及び加圧するのに使用される不活性ガスの例としては、窒素又はアルゴンが挙げられるが、これに限定されない。好ましくは、不活性ガス（例えば、窒素又はアルゴン）は、２バールの圧力である。空気圧システムはまた、ガス導管を介してサンプルチャンバ３からの排気ガスの除去を行う。空気圧システムがカプラー２を介してプローブ１０のサンプリングチャンバ３と連通しているとき、流入導管７の浸漬端部からサンプリングチャンバ３まで（すなわち長手軸Ｘに沿って）連続的なガス経路があり、実質的に漏れがないが、サンプルチャンバ３は、サンプルにアクセスするために容易に分解される。
図３を参照すると、一実施形態では、カプラー２には、プローブホルダ上の対応するレセプタクルと結合するように構成されたガスコネクタ２３が設けられている。より詳細には、ガスコネクタ２３は、プッシュオン／プルオフタイプのコネクタアセンブリであり、プローブホルダ上の結合面にガスシールするためのＯリング２４を含む。
使用時には、測定ヘッド５をホットメタル浴に浸漬し、サンプルチャンバ３は、空気圧システムによって供給され、カプラー２から長手方向軸Ｘに沿って流入導管７に向かって移動する不活性ガスによってパージ及び加圧される。測定ヘッド５がホットメタル浴の表面の下に浸漬された後、第２保護キャップ９及び紙（もしあれば）の被覆がホットメタルの熱によって溶融し、それによって第１保護キャップ８がホットメタルにさらされる。続いて、第１保護キャップ８も溶融し、それによってサンプルチャンバ３は流入導管７を介してホットメタル浴と流れ連通させる。より具体的には、第２保護キャップ８が一旦溶融すると、空気圧システムがパージモードから排気モード又は真空モードに反転するまで、不活性ガスの圧力は、開放の流入導管７を介して（すなわち、流入導管７の第１端部を介して）サンプルチャンバ３から出る。次いで、ホットメタルは、流入導管７を通ってサンプルチャンバ３に入り、特に第１端部から第２端部２２へ、続いてサンプルチャンバ３のサンプルキャビティ内に入り、ガスはカプラー２を介してサンプルチャンバ３から排出される。ガスは、好ましくは、充填溶融金属の自然の溶鋼静圧によって排出されるが、遠隔装置によってガス導管に適用されるわずかな真空によって排出されてもよい。
また、図４〜６は、プローブ１０の２つの部分からなるサンプルチャンバ３をより詳細に示す。サンプルチャンバ３のハウジング３０は、第１側面又は面４０と、対向する第２側面又は面４２（図４Ａ及び６参照）とを有する。第１の面４０は、分析面であり、これは、サンプルが収集されるハウジング３０の幾何学的側面であることを意味し、分析中に発光分光器のステージ上に下向きに置くように構成される。この場合の下方向は、ＯＥＳシステムのスパークソースに向かう方向である。第１の面４０は、ハウジング３０の浸漬端部と対向端部との間に延在する。より詳細には、第１の面４０は、第１の面ＡＦにおいて、サンプルチャンバ３の第１端部１６から第２端部１８に向かって延在する。サンプルチャンバ３の第２端部１８には、好ましくはハウジング３０内に完全に収容されたガスポート３３が設けられている。ガスポート３３は、（図１又は図３に示すように）カプラー２を受け入れ、ここでは、接着剤２６によって実質的に気密にハウジング３０に封止されている（図３参照）。
図４及び図６に示すように、第１の面４０の一部は、通気及びホットメタルの収集のために、サンプルチャンバ３の異なる領域又はゾーンを形成するためにくり抜かれている。より具体的には、ハウジング３０の第１の面４０は、以下のように、サンプルチャンバ３のサンプルキャビティを集合的に形成する様々な窪みを含む：サンプルチャンバ３の第１端部１６に近接し、流入導管７と直接連通する第１領域３４と、第１領域３４の上に位置する第２領域３５と、第２領域３５に隣接する第３領域３６とを含む。第１の面４０はまた、サンプルチャンバ３の第２端部１８に近接し、ガスポート３３と直接連通する第４の領域３８の形態の追加の窪みを含む。ガスポート３３（ひいてはカプラー２）及び流入導管７は、ハウジング３０内に配置され、それらがサンプルチャンバ３のサンプルキャビティと直接連通し、かつ一列に整列される。より具体的には、ガスポート３３及び流入導管７は、好ましくは、サンプルチャンバ３のサンプルキャビティに平行に延在し、より好ましくは、ガスポート３３及び流入導管７は、サンプルチャンバ３のサンプルキャビティと共通の長手方向軸Ｘに沿って延在する。
図６を参照すると、第４の領域３８は、サンプルチャンバ３のハウジング３０の第１の面４０に形成された凹み又は窪みによって画定された接続容積である。したがって、接続容積部３８は、第１の面４０に開放端部３８ａを有する。接続容積３８はガスポート３３とガス連通している。ホットメタルは一般に第３領域３６で凝固するので、ここで説明するように、接続容積３８は一般に、ホットメタルを受け取るためのサンプルハウジングキャビティの一部であるとは考えられない。
第３領域３６は、接続容積３８とガス連通している通気領域である。通気ゾーン３６は、ハウジング３０の第１の面４０に形成された凹み又は窪みによって画定される。したがって、通気ゾーン３６は、第１の面４０に開放端３６ａを有し、対向する閉鎖底端３６ｂを有する。通気ゾーン３６の中心線は、好ましくは、第２領域３５及びガスカプラー２と一列に整列する。
第２領域３５は分析ゾーンである。分析ゾーン３５は、ハウジング３０の第１の面４０に形成された細長い凹み又は窪みによって画定される。したがって、分析ゾーン３５は、第１の面４０に開放端３５ａを有し、反対側に部分的閉鎖底端３５ｂを有する。より詳細には、閉鎖底端３５ｂの物理的境界は、分析ゾーン３５の長さの一部を横切って延在するのみである。
一実施形態では、分析ゾーン３５の相対する端部（すなわち、浸漬方向Ｉの先端及び終端）が機械加工を容易にするために丸められている。しかしながら、端部がどのような形状であってもよいことは、当業者には理解できる。
分析ゾーン３５の一部は、サンプルチャンバ３の第１領域３４を覆う。より詳細には、分析ゾーン３５の先端部（すなわち、サンプルチャンバ３の浸漬端部１６に近接している分析ゾーン３５の先端部）は、第１領域３４を覆いかつ第１領域３４と直接連通する（図６参照）。したがって、第１領域３４を覆う分析ゾーン３５の部分は、閉鎖底端３５ｂによって物理的に閉じられていない。第１領域３４は、流入導管７と直接連通する分配ゾーンである。より詳細には、ホットメタルは、流入導管７の第２端部２２から分配ゾーン３４に直接導入される。このように、流入導管７は、長手方向軸線Ｘに平行な方向に分配ゾーン３４と直接流れ連通するように配置される。
ここでも、分析ゾーン３５と分配ゾーン３４との間に物理的な構造はない。しかし、これらは、本発明の実施のための規定された寸法に関して別個の領域と考えられる。特に、分析ゾーン３５と分配ゾーン３４との間の仮想境界は、図６の破線３５ｃによって示されるように、本質的に、閉鎖底端部３５ｂの延長部であり、分析ゾーン３５と分配ゾーン３４との間の境界３５ｃは、閉鎖底端部３５ｂと同じであることを意味する。分析ゾーン３５は、ここでより詳細に説明するように、分配ゾーン３４を覆う均一な深さであることが好ましい。
集合的に、接続容積３８、通気ゾーン３６、分析ゾーン３５及び分配ゾーン３４は、サンプルチャンバ３の中空容積を形成する。通気ゾーン３６、分析ゾーン３５及び分配ゾーン３４は、集合的に、ホットメタルを受け取るキャビティを含み、ホットメタルが長手方向軸Ｘに沿って導入され、集められ、続いて凝固して凝固金属サンプルＳを形成し、最終的に直接分析されるサンプルキャビティを意味する。通気ゾーン３６、分析ゾーン３５及び分配ゾーン３４は、連続した領域である。
図４及び図６を参照すると、ハウジング３０の第１の面４０は、接続容積３８、通気ゾーン３６、分析ゾーン３５及び分配ゾーン３４の窪みを取り囲む突起３９を含む。より具体的には、ここでは突起３９と呼ばれる***部分は、接続容積３８、通気ゾーン３６、分析ゾーン３５及び分配ゾーン３４の集合容積を周囲から囲む。突起３９の上部又は末端リム３９ａは、好ましくは、第１の面４０の残りの部分に対して（すなわち、第１平面ＡＦに対して）０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ、より好ましくは０．３ｍｍの高さにある。したがって、周辺の突起３９の末端リム３９ａは、第１の面４０の第１平面ＡＦから離間した第２平面ＡＰ上にある。第２平面ＡＰは、ここでは分析平面と呼ばれる。サンプルチャンバ３が金属で充填されると、凝固した金属サンプルＡＳの分析可能な表面ＡＳは、ここより詳細に説明するように、分析平面ＡＰ内に位置する。
図５〜５Ａに示すように、カバープレート３２は、ハウジング３０と同じ材料で形成される必要はない。ハウジング３０と異なり、カバープレート３２は、良好な導電体である材料で形成される必要はない。例えば、カバープレート３２は、溶融シリカ又は耐火セラミック材料で形成されてもよい。しかし、好ましくは、カバープレート３２は、ハウジング３０と同じ材料で形成される。
好ましくは、組み立ての実用上の目的のために、カバープレート３２は、ハウジング３０とほぼ同じ幅及び長さである。しかしながら、カバープレート３２は、このような寸法に限定されず、ハウジング３０の幅及び長さよりも大きいか又は小さい幅及び長さを有してもよいことは理解できる。
カバープレート３２は、第１側面又は面４４と、対向する第２側面又は面４６とを有する。カバープレート３２は、好ましくは、第１の面４４から第２の面４６に延びる１ｍｍ〜５ｍｍの厚さを有する。カバープレート３２の第１の面４４は、サンプルチャンバ３の組み立てられた構成においてハウジング３０に面するように、より具体的には、ハウジング３０の第１面４０に面するように構成される。シーリング部材３１が、カバープレート３２の第１の面４４に設けられ、サンプルチャンバ３の組み立てられた構成においてハウジング３０とカバープレート３２との間に位置付けられる。シール部材３１は、ガスシール部材であることが好ましい。より具体的には、シール部材３１はガスケットである。ガスケット３１は、好ましくは、サンプルチャンバ３の組み立てられた構成において、突起３９を取り巻くか又は取り囲むように寸法決めされる。ガスケット３１の形状は問わない。しかし、ガスケット３１は、ハウジング３０の第１面４０の突起３９と同一形状に形成されていることが好ましい。
一実施形態では、ガスケット３１は、好ましくは、シリコーン又は任意の類似のポリマーで形成される。ガスケット３１は、カバープレート３２とハウジング３０との間に気密シールを提供する任意の材料から形成されてもよいことは、当業者には理解できる。ガスケット３１の材料がカバープレート３２の第１の面４４に適用された後、ガスケット３１は、カバープレート３２がハウジング３０と組み立てられクランプ４によって共に固定される前に乾燥され、これによりガスケット３１がハウジング３０に接着しないことを保証する。
当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、ガスケット３１を代替的にＯリング又は平坦なガスケット材料として形成することができることが理解できる。例えば、別の実施形態では、ガスケット３１は、好ましくは０．０４〜０．１ｍｍの厚さを有する平坦なガスケットとして適用されるプラスチック箔である。例えば、フラットガスケットは、３Ｍ（商標）製の表面保護テープ、製品番号４０１１ａで形成することができる。
図６に示すように、サンプルチャンバ３の組み立てられた構成では、カバープレート３２及びハウジング３０が一緒に組み立てられて、分配ゾーン３４、分析ゾーン３５及び通気ゾーン３６を含むサンプルキャビティを形成する。好ましくは、カバープレート３２は、ハウジング３０の突起３９上に（すなわち、分析平面ＡＰ内に）載置され、ガスケット３１がハウジング３０の第１の面４０に接触して、ガスケット３１が突起３９を取り巻くか又は取り囲む。より具体的には、サンプルチャンバ３の組み立てられた構成では、カバープレート３２は、好ましくは、分析平面ＡＰ内で突起３９と面一になっており、ガスケット３１の第１表面４０に対するシールにより、ガスケットタイプの結合状態でハウジング３０の第１表面４０にシールされる。しかしながら、カバープレート３２及びハウジング３０は、突起３９及び分析平面ＡＰの上方に延在する平面に沿って一緒に組み立てられてもよいことが理解できる。
したがって、カバープレート３２は、サンプルチャンバ３のサンプルキャビティを閉じる。ここでも、サンプルチャンバ３のサンプルキャビティは、流入導管７から長手方向軸Ｘに沿ってホットメタルが導入され、収集され、その後に急速に冷却されて凝固金属サンプルＳを形成する容積である。このように、組み立てられたサンプルチャンバ３は、２つの開口部のみを有し、すなわち、流入導管７と連通する第１開口部２０と、カプラー２と連通するガスポート３３の開口部を有する。サンプルキャビティに収容された凝固した金属サンプルＳの分析表面は、分析平面ＡＰ内にある。さらに、第１開口部２０及び関連の流入導管７並びにガスポート３３及び関連のカプラー２は、分析平面ＡＰから離間され、交差しない。
以下では、各ゾーン３４，３５，３６の長さＬは、サンプルキャビティの長手方向軸線Ｘに平行でかつそれと一列に整列した寸法に関して記載されて、各領域３４，３５，３６の幅Ｗは、長手方向軸線Ｘに垂直な寸法に関して記載される、各ゾーン３４，３５，３６の深さＤは、長手方向軸線Ｘに垂直でかつ幅寸法に垂直な寸法に関して記載されている。より詳細には、各ゾーン３４，３５，３６の深さは、分析平面ＡＰに沿ったポイントから、各ゾーン３４，３５，３６の底端又は境界まで測定される。これは、サンプルチャンバ３のサンプルキャビティの一方の端部はゾーン３４，３５，３６によって、他方の端部は分析平面内にあるカバープレート３２によって囲まれるからである。
長さＬ、幅Ｗ及び深さＤの寸法は、図４、図６及び図１１に最も明瞭に示されている。ここで説明する断面積寸法は、幅Ｗ寸法に深さＤ寸法を乗じたものに相当する（図１０参照）。
分析ゾーン３５は、８〜１２ｍｍ、好ましくは１０ｍｍの幅ＷAを有する。分析ゾーン３５の先端から終端（通気ゾーン３６の先端に対応する分析ゾーンの終端）までの長さＬAは、２５〜３５ｍｍ、好ましくは３０ｍｍである。分析ゾーン３５の深さＤAは、分析平面ＡＰに沿った点から閉鎖底端３５ｂ及び境界３５ｃ（すなわち、窪みの底面）まで延びている。分析ゾーン３５の深さＤAは０．５〜１．５ｍｍ、好ましくは１ｍｍである。分析ゾーン３５の深さＤAが１．５ｍｍより大きいと、鉄サンプルＳの凝固した白色構造の亀裂を防止することができない。すなわち、分析ゾーン３５の０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの深さＤAは、本発明の重要な側面である。
一実施形態では、分析ゾーン３５の幅ＷAは、浸漬端部１６の近くから対向する端部１８に向かって、分配ゾーン３４を覆う部分に対応する距離だけ徐々に増加する。最大幅ＷAに達すると、分析ゾーン３５の幅ＷAは、長手方向軸Ｘに沿ってわずかに先細りになり、このように、分析ゾーン３５の断面積（すなわち、図１０に示すように、長手方向軸Ｘに垂直な平面に沿った分析ゾーン３５の断面積）が分配ゾーン３４の終点で最大となり、通気ゾーン３６に向かってわずかに先細りになる。より詳細には、分析ゾーン３５の幅を画定する壁（すなわち、第１の面４０に垂直に延在する壁）は、長手方向軸Ｘの方向にわずかに先細りになり、これにより、分析ゾーン３５の幅は分配ゾーン３４の終点で大きくなり、通気ゾーン３６に向かって、長手方向軸Ｘの方向に減少する。このように、分析ゾーン３５は、凝固した金属サンプルＳの薄い断面に不適切な応力を与えることなく、凝固するホットメタルの収縮に適応することができる。
流入導管７の断面積、すなわち図１０に示すような長手方向軸Ｘに垂直な平面に沿った流入導管７の横断面積は、分析ゾーン３５及び分配ゾーン３４の断面積により決定される。好ましくは、流入導管７の断面積は、分析ゾーン３５の断面積の０．５〜２倍である。好ましくは、流入導管７の断面積は、分配ゾーン３４の最大断面積の０．２０〜０．７０倍であり、これにより、金属混合に必要な入口速度を低下させる。より好ましくは、流入導管７の断面積は、分配ゾーン３４の最大断面積の０．５５倍である。流入導管７の断面積が小さすぎる（すなわち、分析ゾーン３５の断面積の０．５倍未満及び／又は分配ゾーン３４の最大断面積の０．２０倍未満）場合、最適な混合を達成し、乱流を減少させるための流入ホットメタルの減速が十分でなく、充填が不十分である。流入導管７の断面積が大きすぎる（すなわち、分析ゾーン３５の断面積の２倍より大きく、及び／又は分配ゾーン３４の最大断面積の０．７０倍より大きい）場合、分配ゾーン３４は、満たされると、より多くのハウジング３０質量によって除去されなければならないホットメタルサンプルに顕熱を加え、これにより経済的解決策からさらに遠ざかる。
分配ゾーン３４は、先に説明したように、分析ゾーン３５の下にあり、したがって、分析ゾーン３５の全長ＬAに影響を与えない。分配ゾーン３４の容積は、分析ゾーン３５によって画定され、より具体的には、境界３５ｃ、その上端、ならびに対向する側壁３４ａ、３４ｂ及びその底面３４ｃによって境界が定められている（図１０参照）。側壁３４ａ、３４ｂは、分析平面ＡＰに対して実質的に垂直である。分配ゾーン３４の幅ＷD（すなわち、側壁３４ａ、３４ｂをまたがる距離）も、好ましくは、分析ゾーン３５の幅ＷAを超えず、好ましくは流入導管７の内径以上である。好ましくは、分配ゾーン３４の幅ＷDは、流入導管７の内径に等しい。分配ゾーン３４の底面３４ｃの第１部分（すなわち、分析ゾーン３５に対向する表面）は、長手方向軸Ｘに平行な水平面内に延在する。底面３４ｃの第２部分は傾斜しており、より具体的には角度αで上方に延在しており、分析ゾーン３５の閉鎖底端３５ｂと４０°〜９０°、好ましくは６０°の角度αで交差している。分配ゾーン３４はこの交差点で終了する。このように、分配ゾーン３４の深さは、ホットメタルの流れ方向に沿って、流入導管７からガスカプラー２に向かって減少する。
通気ゾーン３６の深さＤVは約０．１〜１ｍｍの範囲にあり、通気ゾーン３６の長さＬVは約５ｍｍであり、通気ゾーン３６の幅ＷVは分析ゾーン３５の幅ＷA以下であることが好ましい。通気ゾーン３６の深さＤVは、サンプルチャンバ３の浸漬端部１６に近接する端部で最大である。すなわち、通気ゾーン３６の深さＤVは、浸漬方向Ｉから接続容積３８に向かってわずかに減少する。より詳細には、通気ゾーン３６の深さＤVは、分析ゾーン３５の終端から通気ゾーン３６の終端まで徐々に１〜０．２ｍｍ減少させることが好ましい。
分配ゾーンの端部からガスカプラー２までのサンプルキャビティの幅の増加、又は流入導管７からガスカプラー２に向かう溶鋼の流れ方向のサンプルキャビティの深さ寸法の増加はない。これにより、凝固中に収縮する金属が自由に流入導管７に向かって移動できる。
分析ゾーン３５の断面積（すなわち、分析ゾーン３５の幅ＷAに分析ゾーン３５の深さＤAを乗じたもの）は、通気ゾーン３６の断面積の２．５〜１０倍である（すなわち、通気ゾーン３６の幅ＷVに通気ゾーン３６の深さＤVを乗じたもの）である。したがって、通気ゾーン３６の最大断面積は２〜８ｍｍ2である。
図８〜図９Ａは、以下に説明するような、ハウジング６０及びカバープレート６２の構成の特定の差異を除いて、サンプルチャンバ３と本質的に同様の代替サンプルチャンバを示す。ハウジング６０は、接続容積６８、通気ゾーン６６、分析ゾーン６５及び分配ゾーン６４を含み、それらはそれぞれハウジング３０の接続容積３８、通気ゾーン３６、分析ゾーン３５及び分配ゾーン３４に相当する。ハウジング６０には、サンプルチャンバ３のガスポート３３と同様、その一端にガスポート６３があり、サンプルチャンバ３の流入導管７と同様、流入導管６７が設けられている。ハウジング６０はまた、分析面であって第１平面ＡＦ内に延びる第１の側面又は面７０と、対向する第２の面７２とを有する。ハウジング３０とは異なり、ハウジング６０は、***した突起（すなわち、ハウジング３０の***した突起３９）を含まない。図９〜９Ａに示すように、カバープレート６２は、サンプルチャンバの組み立てられた構成においてハウジング６０に面するように構成された第１の面７４を有する。ガスケット６１は、カバープレート６２の第１の面７４に設けられ、サンプルチャンバの組み立てられた構成において、ハウジング６０とカバープレート６２との間に配置される。カバープレート６２は、サンプルチャンバ３のカバープレート３２とは異なり、その第１の面７４から延在する***した中央部分６９をさらに含む。***した中央部分６９は、０．２〜０．５ｍｍ、好ましくは０．３ｍｍの高さを有する。ガスケット６１は、***した中央部分６９を取り巻くか、又は取り囲む。
サンプルチャンバの組み立てられた構成では、カバープレート６２の***した中央部分６９はハウジング６０と面一になり、ガスケット６１はハウジング６０の第１の面７０に密封する。したがって、カバープレート６２は、ハウジング６０の材料からくり抜かれたサンプリングチャンバの開放容積を閉じて、接続容積６８、通気ゾーン６６、分析ゾーン６５及び分配ゾーン６４を形成する。この実施形態では、分析平面は分析面のＡＦ平面に等しい。
ホットメタル浴からのＯＥＳの分析に適した本発明の白色構造のホットメタルサンプルを回収することは、以下の手順によって達成される。プローブ１０は、シンプルなプッシュオン、プルオフ式コネクタ２３を用いてプローブホルダに空気圧的に結合される。コネクタ２３は、カプラー２によってサンプリングチャンバ３に直接取り付けられているか、又は空気圧ラインによって結合された距離にある。ガス回路の閉鎖は、不活性パージガスのわずかな過圧を提供する。機械的利点のためにプローブホルダを使用して、プローブ１０をホットメタル浴に浸漬し、金属表面の下の所定の距離に所定の時間維持する。この浸漬中、金属表面上に浮遊しているスラグを通過する間に破壊に耐えるように設計された測定ヘッド５の保護キャップ９が溶融して、より小さな、流入導管７の保護キャップ８を露出させる。第１保護キャップ４が引き続き溶融すると、不活性ガスの過圧が解放され、不活性パージガスがプローブホルダからガスコネクタ２３（存在する場合）及びカプラー２を通って接続容積３８、通気ゾーン３６、分析ゾーン３５、分析ゾーン３５の下にある分配ゾーン３４、及び流入導管の内部容積７ａに流れる。ガスコネクタ２３（存在する場合）及びカプラー２は接着剤２６によって実質的に気密にハウジング３０に接着され、流入導管７は接着剤２７によって実質的に気密にハウジング３０に接着される。より詳細には、流入導管７の第２端部２２は、ハウジング３０内に完全に収容され、接着剤２７によって実質的に気密に接着されている。
このパージガスは、サンプリングチャンバ３内の最初の潜在的な酸化周囲雰囲気を除去し、そして、数秒間継続して流れて、測定ヘッド５に付着した第２保護キャップ９の残部及びスラグを洗い流す。空気圧バルブは、パージガスの方向が反転されて過圧を除去するように、特に、サンプルチャンバ３内の過圧を上記の逆経路によって排気し、サンプルチャンバ３から排出することによって、瞬時にパージから排気又は真空に切り替えられる。これにより、ホットメタル浴からのホットメタル（図示せず）が流入導管７に流入して充填し、さらに流入導管７の容積部７ａからサンプルチャンバ３の分配ゾーン３４に注ぐ。次いで、ホットメタルは、分配ゾーン３４上の分析ゾーン３５に供給され、分析ゾーン３５を充填する。ホットメタルの一部は、サンプルチャンバ３の第２端部のカプラー２に向かって流れ続け、それによって、狭い通気ゾーン３６を少なくとも部分的に又は完全に充填する。プローブホルダは今度反対方向に移動し、充填されたサンプルチャンバを溶融浴から取り出す。当業者であれば、空気圧補助サンプリングを実施するのに必要なプローブホルダと空気圧バルブとスイッチの基本的な説明は、当該技術分野で知られており、本発明の一部ではないことを理解できる。
回収された小さいサイズの液体ホットメタルは、測定プローブが処理容器から取り出されるとき、ハウジング３０及びカバープレート３２によって冷却されて白色凝固構造になる。溶融サンプルからの熱抽出速度は、１分以内にホットメタルを室温まで冷却し、これは、従来のサンプリングで必要とされるすべての外部冷却を実質的に排除し、高温の金属表面を酸素含有雰囲気に曝すときに通常起こる表面酸化の可能性を排除して即座に脱型することを可能にする。また、サンプルチャンバ３は、１分以内にホットメタルを１５００℃の高温から１００℃まで冷却し、純粋な白色凝固構造を促進するのに適した質量比（すなわち、９〜１２）を有する。
通気ゾーン３６内のわずかな先細り形状は、ガスカプラー２に到達する前にホットメタルの冷却を促進し、凝固した金属サンプルが分析ゾーン３５に向かって収縮することを保証する。より具体的には、通気ゾーン３６を満たすホットメタルは、通気ゾーン３６で凍結する。これは、ホットメタルが接続容積３８に入ると、サンプルＳが亀裂することがあるからである。
サンプルチャンバ３に収集されたホットメタルの急速な冷却は、主にサンプルチャンバ３の質量（すなわち、カバープレート３２の質量にハウジング３０の質量を加えたもの）と、収集され、塊に変換されたホットメタルの体積との関係によって達成される。約６．８ｇ／ｃｍ3の溶融密度を有するホットメタルの場合には、サンプルチャンバ３の質量と、サンプルチャンバ３内に収集されたホットメタルの質量（そこに収集された体積に基づいて計算される）の比は、酸化物を含まない分析表面ＡＳを確実にするために、好ましくは９〜１２、好ましくは１０の範囲である。
したがって、分析ゾーン３５、通気ゾーン３６及び分配ゾーン３４の内部空間は特定の寸法基準を満たさなければならないが、（カバープレート２及びハウジング３０からなる）サンプルチャンバ３の全体的な寸法も一定の基準を満たさなければならない。サンプルチャンバ３の質量とサンプルチャンバ３内に収集されたホットメタルの質量との所望の質量比を達成するためである。当業者であれば、ハウジング３０又はカバープレート３２の全体的な幅、及び／又は深さ、及び／又は長さを、必要に応じて調整して、サンプルキャビティを作成するために必要な内部空間を変更することなく、ハウジング３０の質量を増加又は減少させることができることを理解できる。
特に、流入導管７の第２端部２２とガスカプラー２の両方がサンプルハウジング内に完全に含まれるような、両方の外径が調整可能な場合、ハウジング３０の１つ以上の寸法は容易に調整でき、サンプルチャンバ３の質量（カバープレート３２がサンプルチャンバ３の質量の１０〜２０％を占める）が、金属サンプルＳの質量の９〜１２倍のような質量比要求を容易に満たすことができる。
好ましくは、ホットメタルは、分析ゾーン３５において、カバープレート３２に当接して、より詳細には、カバープレート３２の第１表面４４に当接して凍結し、それにより、サンプルＳの分析中に発光分光器のステージ上に下向きになるように構成される、サンプルＳの分析表面ＡＳを形成する。分析表面ＡＳは、カバープレート３２の第１の面４４が突起３９によって形成された表面と直接接触する平面内に延在する（すなわち、分析平面ＡＰ）。例えば、図１〜７Ａに示す実施形態では、分析表面ＡＳは、ハウジング３０の突起３９と同じ平面、すなわち分析平面ＡＰに延在する。より具体的には、凝固した金属サンプルＳの分析表面ＡＳと周囲の金属突起３９との両方が分析平面ＡＰを広げて、ＯＥＳの開口を閉じるのを助ける。図８〜８Ａの実施形態では、ここでさらに詳しく説明するように、分析表面ＡＳは、カバープレート６２の***した中央部分６９とハウジング６０の第１の面７０とが面一になる平面内に延在している。
このようなサンプルチャンバ３内でホットメタルが凍結すると、凝固した金属サンプルＳは、ハウジング３０と不可分的に形成される。測定ヘッド５は容易に破砕され、サンプリングチャンバ３をキャリアチューブ１から前方の浸漬方向Ｉから取り外すことができる。２つの部分からなるサンプルチャンバ３を保持するクリップ４は取り外される。従来のサンプリング装置と異なり、サンプルＳはサンプルハウジング３０に取り付けられたままである。したがって、ここで「サンプル」という用語は、ＯＥＳに送達される金属片を指す場合、回収された凝固サンプルとサンプルハウジング３０との不可分の組み合わせを指す。
次いで、サンプルＳは、従来の手段によってＯＥＳに送達され、表面処理なしにＯＥＳによって直接分析される。サンプルＳの急速な冷却は、脱型工程中に通常遭遇する表面酸化を回避する。これにより、機械的研削の必要性がなくなり、サンプルＳの迅速な分析が可能になり、これらの結果を待つ金属プロセスに化学特性を報告することができる。流入導管７及びガスポート３３（及びガスカプラー２）は、ハウジング３０内に配置され、分析平面（及び分析面４０の下側）から離れて、より具体的には下方に配置されており、従来技術のクラムシェル型で普通にあるような両側に跨っているのものではないので、酸化物のない表面を得るために流入導管７とガスカプラー２をハウジング３０から取り外す必要はなく、したがって処理せずにＯＥＳ上に直接置くことができる白色鋳鉄の凝固したサンプルの形成を可能とする。すなわち、流入導管７及びガスポート３３／ガスカプラー２が分析平面ＡＰと干渉しないように、流入導管７及びガスポート３３／ガスカプラー２は分析平面ＡＰと交差しない。
サンプルＳとハウジング３０との不可分性は、分析平面に沿った凝固金属の両側のハウジング３０の延長をもたらし（すなわち、突起３９による）、従来技術に対して複数の改善をもたらす。従来技術のサンプルは、ＯＥＳの分析開口部を完全に覆い、したがって許容可能な金属サンプルに必要とされるよりも多くの材料を有するサンプルサイズを有する。ＯＥＳの間、スパークはＯＥＳサンプルステージのエッジ材料に飛びついてはならないので、この開口部は前述のように意図的にかなり大きい。分析中に不活性ガスがスパークチャンバ内にパージされ、分析されるサンプルＳと分光器ステージとの間の漏れが許容できない。
本発明は、サンプルＳとハウジング３０との不可分性を利用して、分析開口部を覆うためのハウジング３０の表面の一部も提供する。伸長軸に垂直に伸びるサンプラーハウジング３０は、分析ゾーンをＯＥＳスパークの燃焼領域よりわずかに大きいものとすることを可能にする。このサンプラーハウジング３０による分析平面ＡＰの拡張により、サンプラーハウジング３０の分析ゾーン３５を充填するホットメタルの体積は、はるかに小さくすることができる。この減少した体積は熱入力を減少させるので、分配ゾーン３４、分析ゾーン３５及び通気ゾーン３６を充填する全体のホットメタルの熱は、従来技術の装置よりも実質的に少なく、したがって、急速に冷却して所望の白色鋳鉄構造を達成できる。
図７〜７Ａには、分解されたサンプルチャンバ３が示されている。より具体的には、図７〜７Ａは、ハウジング３０と、その中に含まれる、不可分的に凝固した金属サンプルＳとを示す。カバープレート３２はハウジング３０から分解されたので、示していない。図７〜７Ａに示す形態の凝固した金属サンプルＳを含むハウジング３０は、ＯＥＳによる直接分析に使用することができる。分析表面ＡＳは、金属充填分配ゾーン３４の上に位置する分析ゾーン３５に形成されたサンプルＳの部分５５の表面を含む。分析ゾーン部分５５から延びてこれに隣接するサンプルＳの残りの部分５６は、通気ゾーン３６内、及び、最後のルートとして、おそらくは接続容積３８内に流入して、凝固した金属で構成される。したがって、サンプルＳの残りの部分５６は、後のＯＥＳ分析に影響を及ぼさない不規則構造５８などの不規則性を含むことができる。分析面ＡＳは分析平面ＡＰ内にあり、分析平面ＡＰを壊す可能性のある部品又は外来付着材は存在しない。
上述したように、サンプルチャンバ３の様々なゾーン３４，３５，３６は、サンプルチャンバ３内に形成された凝固した金属サンプルＳの異なる部分に対応する。このように、通気ゾーン３６、分析ゾーン３５及び分配ゾーン３４の寸法は、そこに形成される凝固した金属サンプルＳの様々な部分の寸法に対応する。例えば、各ゾーン３６，３５，３４の深さは、凝固した金属サンプルＳの対応する部分の厚さに対応する。特に、各ゾーン３４，３５，３６の深さＤに対する長さＬの比（Ｌ／Ｄ）（ひいては、サンプルＳの様々なセグメントの対応の比）は、本発明の重要なパラメータである。特に、分配ゾーン３４、分析ゾーン３５及び通気ゾーン３６は、好ましくは、浸漬端部１６の近くから対向する端部１８の近くまで延びる複数の連続セグメントとして構成されている。各セグメントは、長さ／深さ（Ｌ／Ｄ）比を有する。これらセグメントのＬ／Ｄ比は、第１開口部２０からの距離が増加するにつれて漸次増加する。すなわち、一のセグメントのＬ／Ｄ比は、浸漬端部１６から反対端部１８に向かう方向における隣接する先行の同じ長さのセグメントのＬ／Ｄ比よりも大きい。これは、結果として得られるサンプルＳの厚さが、一のセグメントから次のセグメントへと同じ方向において（すなわち、流れ方向において）減少することを意味する。
上述したように、サンプルチャンバ３の様々なゾーン３４，３５，３６の基本的な幾何学形状がすべて計算され、設計パラメータの経済的な選択を使用して、重要パラメータであるＬ／Ｄ比を満たすことができる。上述したゾーン又はセグメントのいずれかの各断面において、サンプルチャンバハウジング３０は、流入導管７からガスカプラー２まで延び長手方向軸Ｘに沿った方向におけるサンプルキャビティの深さＤの寸法の多様な変化（特に増加）なしに金属サンプルＳの凝固を容易にする。同じ方向のサンプルＳの厚さ寸法においても同様である。
凝固及び室温への冷却の間のサンプルＳの亀裂形成を回避するために、本明細書で詳細に説明するように、サンプルキャビティの全長（すなわち、分析ゾーン３５の長さＬAに通気ゾーン３６の長さＬVを加えたもの）に沿ったサンプルキャビティの全セグメントのＬ／Ｄ比の合計を、対応するセグメントの深さＤで割った値（すなわち、比Ｌ／Ｄ）は２５より大きくなければならない。すなわち、サンプルキャビティの個々のセグメントのそれぞれのＬ／Ｄ比の合計は２５より大きくなければならない。個々のセグメントのＬ／Ｄ比は、サンプルキャビティの全長Ｌが考慮される限り、等間隔のセグメント又は集められたグループとして選択することができる。セグメント３４については、後で説明するように、これを２つのセクションとして計算する方が簡単である。ここで、サンプルの厚さが変化する、すなわち、セグメント内のキャビティの深さが変化するセクションでは、Ｄは当該セグメントの浸漬端部からの方向における最大深さと、当該セグメントの浸漬端部の反対端部における最大深さとの和とされる（両方とも２で割ったものである。）。この計算は、長さにわたって深さの変化を示すすべてのセグメントで使用できる。好ましくは、各セグメントのＬ／Ｄ比は、浸漬端部及び流入導管７からガスカプラー２に向かう方向に増加する（すなわち、サンプルキャビティの深さ及びそれに対応してサンプルＳの厚さが減少する）。
Ｌ／Ｄ比をより良く説明するために、図１１は、分配ゾーン３４、分析ゾーン３５及び通気ゾーン３６を含むサンプルキャビティの複数のセグメント又はセクションを示す。総Ｌ／Ｄ比を計算するために、サンプルキャビティ（ひいてはサンプルＳも）を以下のように分割することができるが、別の方法で分割することができる。
サンプルキャビティの第１セグメントＳ１は、分析ゾーン３５の第１部分と、その下にある分配ゾーン３４の第１部分とを含む。第１セグメントＳ１は、分析ゾーン３５の第１端部８０及び流入導管７に近接する分配ゾーン３４から第１中間点８４まで延びる長さＬS1を有する。第１中間点８４は、分配ゾーン３４の底面３４ｃが通気ゾーン３６に向かって上方に角度を生じる直前のハウジング３０内の点に対応する。一般に、第１セグメントＳ１の長さＬS1は、流入導管７の直径、より具体的には内径と等しいか又はそれより小さい。他の距離も可能であるが、より好ましくは、第１セグメントＳ１の長さＬS1は、流入導管７の半径に等しい。第１セグメントＳ１の深さは、第１セグメントＳ１が形成された分析ゾーン３５と分配ゾーン３４の対応する部分の深さの合計である。第１セグメントＳ１に対応する分配ゾーン３４の深さは、境界３５ｃから水平方向の底面３４ｃまで測定され、流入導管７の計算された直径に１ｍｍを加えた値に等しい。
サンプルキャビティの第２セグメントＳ２は、分析ゾーン３５の第２部分と、その下にある分配ゾーン３４の第２部分とを含む。第２セグメントＳ２は、第１セグメントＳ１から、より具体的には第１中間点８４から、底面３４ｃが分析ゾーン３５の底端３５ｂと交差するハウジング３０内の点に対応する第２中間点８６まで延びる長さＬS2を有する。交叉角度は一般的に既知である（例えば、角度は好ましくは６０°である）ので、第２セグメントＳ２の長さＬS2を計算することができる。第２セグメントＳ２の深さは、上記のように、分析ゾーン３５及び分配ゾーン３４の対応する部分の８４に沿った最大深さと８６に沿った最大深さ（両方とも２で割ったものである。）によって規定される。
サンプルキャビティの第３セグメントＳ３は、分析ゾーン３５の残りの部分を含み、第２中間点８６から、分析ゾーン３５の終端とハウジング３０の通気ゾーン３６の始端に対応する第３中間点８８まで延びる長さＬS3を有する。分析ゾーン３５の全長が分かっているので、第３セグメントＳ３の長さＬS3は一般に容易に計算することができる。第３セグメントＳ３は、分析ゾーン３５の対応する部分の深さに等しい深さを有する。
サンプルキャビティの第４セグメントＳ４は、通気ゾーン３６を含む。通気ゾーン３６の深さは、機械加工を容易にするために選択されているが、このパラメータの範囲内で等しく有効な他の深さも選択できる。
本発明において、ホットメタルを白色炭化構造の、高い均質性の亀裂のないサンプルに凝固させるサンプルハウジング３０を作成するために、以下の実施例は、本発明による例示的な構成を提供するが、本発明の範囲内で他の多くの構成が可能であることが理解できる。
実施例１
アルミニウム製のサンプルハウジング３０は、図１〜６に従って機械加工されている。分析ゾーン３５は、分配ゾーン３４の上方において１ｍｍの均一な深さＤAを有する。実施例１の分析ゾーン３５の表面積は、ＯＥＳ分析に望ましい分析スポットの数から決定される。より多くの表面積を提供することができるが、２〜４つの分析スポットが一般的であり、４分析スポットが好ましい。典型的なＯＥＳ分析スポットは６〜８ｍｍであり、スポットを重ね合わせないことが望ましいので、分析ゾーン３５の長さＬAは３つの分析スポットを収容するために２５ｍｍとした。選択されたスポットの数は本発明を変更しないことは理解できるが、当業者は、サンプルＳ、及びサンプルチャンバ３のすべての構成要素の長さを増やすことが分光器のサイズについての実用上の考慮によってのみ制限されることを理解したうえで、より多くのスポットを選択することができる。また、サンプルチャンバ３のサイズが大きくなると、材料コストが高くなり、経済的な解決策が得られなくなる。より少ない分析スポットも選択することができるが、通常は２スポットが最小である。
分析ゾーン３５の幅ＷAは同様に１０ｍｍとし、最大断面積（すなわち、深さ×幅）が浸漬方向Ｉに向くように、断面においてわずかに先細りになる。したがって、浸漬方向Ｉに位置する分析ゾーン３５の最大断面積、より具体的には流入導管７に近い断面積は、１０ｍｍ2（すなわち、深さ１ｍｍに幅１０ｍｍを乗じたもの）である。流入導管７の断面積が分析ゾーン３５の断面積の０．５〜２倍であるので、本実施例の流入導管７の断面積は５〜２０ｍｍ2とすることができる。流入導管７は石英管である。従って、流入導管７の内径は２．５〜５．１ｍｍである。この実施例では、流入導管７の内径は５ｍｍ（すなわち、１９．６ｍｍ2の断面積）である。流入導管７の断面積が分配ゾーン３４の最大断面積の０．２０〜０．７０倍であるので、分配ゾーン３４の断面積は四捨五入で約２８〜９８ｍｍ2である。分配ゾーン３４の底面３４ｃの第２部分は、分析ゾーン３５の底端３５ｂと６０°の角度で交差する。
通気ゾーン３６の断面積は最大部分において１ｍｍ2である。分析ゾーン３５の幅は１０ｍｍであるので、通気ゾーン３６の平均深さＤVは０．２ｍｍである。
したがって、実施例１のハウジング３０を使用して作成されたサンプルＳの分析部分は、２５ｍｍの長さ及び１ｍｍの厚さ（すなわち、分析ゾーン３５の寸法に対応する）を有する。分配ゾーン３４について最初にＬ／Ｄ比が計算される。分配ゾーン３４は、分析ゾーン３５の境界３５ｃから分配ゾーン３４の水平底面３４ｃまでの第１深さを有し、これは計算された流入導管７の内径（すなわち４ｍｍ）に１ｍｍを加えた値に等しい。この深さは、流入導管７の第２端部２２から、流入導管７の内径（すなわち、５ｍｍ）に等しい距離だけ続く。第１セグメントＳ１のＬ／Ｄ1は、第１セグメントＳ１の長さＬS1（５ｍｍ）を、第１セグメントＳ１の全深さ（分析深さ１ｍｍ＋１ｍｍ＋流入導管内径５ｍｍ）で割った値であり、これは５／７又は０．７１に等しい。
分配ゾーンの底部は、今度は傾斜しており、好ましくは分析ゾーンの底部と交差するまで６０度で傾斜している。分配ゾーン３４の底面３４ｃと分析ゾーンの底端３５との間の交差角度が６０°であるので、第２セグメントＳ２の傾斜部分は、点８４から３．５ｍｍ後に、分析ゾーンの底部と点８６で交差する。ここで、８４に沿った最大深さと８６に沿った最大深さの和を２で割ったものは、（７＋１）／２＝４ｍｍとして計算することができる。したがって、第２セグメントＳ２のＬ／Ｄ2は、第２セグメントの長さＬS2（３．５ｍｍ）を第２セグメントＳ２の計算された深さで割ったものであり、３．５／４又は０．８７に等しい。
第３セグメントＳ３は、分析ゾーン３５の深さ（すなわち１ｍｍ）のみに等しい深さと、分析ゾーン３５の長手方向表面の初期計算値２５ｍｍの残りの長さに対応する長さＬS3（すなわち、２５ｍｍ−８．５ｍｍ＝１６．５ｍｍ）とを有する。したがって、第３セグメントＳ３のＬ／Ｄ3は１６．５である。
このサンプルハウジング３０を設計するために計算する第４セグメントＳ４は、通気ゾーン３６に対応する。第４セグメントＳ４の長さ（すなわち、通気ゾーン３６の長さ）は未知であり、全セグメントのＬ／Ｄの合計が２５より大きいという基準によって決定される。例えば、通気ゾーンの長さが２ｍｍで、深さが０．２ｍｍの場合、これでＬ／Ｄ4値が１０になるため、サンプルＳのすべてのセグメントのＬ／Ｄ比の合計（すなわち、０．７１＋０．８７＋１６．５＋１０）は２８となる。この合計が２５より大きいので、この例では通気ゾーン３６の長さ２ｍｍが許容可能であることは明らかである。この実施例では、通気ゾーン３６の長さは５ｍｍとされ、したがって、合計（Ｌ／Ｄ）＝４３は、すべての経済的可能性の範囲内にある（すなわち、２５＜合計（Ｌ／Ｄ）＜５０）。
このように、各セグメントの長さは測定可能な限り小さくても、必要なアウトプットを提供できることが示されている。より小さいセグメントは、個々のセグメント値Ｌ／Ｄを流入導管７からガスカプラー２の方向に減少させることができないような基準に適合するうえで、設計者にとって望ましい。
必要な質量比が９対１２であることを考慮すると、この実施例のサンプルチャンバ３は、約５７ｇの質量のハウジング３０と、約９．４ｇの質量を有するカバープレートとを有し、６ｇのサンプルを回収し、冷却する（すなわち、１１．１の質量比）。
実施例１は、本発明の特に好ましい実施態様を示す。
実施例２
アルミニウム製のサンプルハウジング３０は、図１〜６に従って機械加工されている。分析ゾーン３５は、分配ゾーン３４の上方において０．８ｍｍの均一な深さＤAを有する。分析ゾーン３５の長さＬAは４つの分析スポットを収容するために３２ｍｍとした。
分析ゾーン３５の幅ＷAは同様に１０ｍｍとし、最大断面積（すなわち、深さ×幅）が浸漬方向Ｉに向くように、断面においてわずかに先細りになる。したがって、浸漬方向Ｉに位置する分析ゾーン３５の最大断面積、より具体的には流入導管７に近い断面積は、８ｍｍ2（すなわち、深さ０．８ｍｍに幅１０ｍｍを乗じたもの）である。流入導管７の断面積が分析ゾーン３５の断面積の０．５〜２倍であるので、流入導管７の断面積は４〜１６ｍｍ2とすることができる。流入導管７は石英管である。従って、流入導管７の内径は２．５〜５．１ｍｍである。この実施例では、流入導管７の内径は４ｍｍ（すなわち、１２．６ｍｍ2の断面積）である。流入導管７の断面積が分配ゾーン３４の最大断面積の０．２０〜０．７０倍であるので、分配ゾーン３４の断面積は四捨五入で約１８〜６３ｍｍ2である。分配ゾーン３４の底面３４ｃの第２部分は、分析ゾーン３５の底端３５ｂと６０°の角度で交差する。
通気ゾーン３６の断面積は最大部分において０．８ｍｍ2である。分析ゾーン３５の幅は１０ｍｍであるので、通気ゾーン３６の平均深さＤVは０．２ｍｍである。
したがって、実施例１のハウジング３０を使用して作成されたサンプルＳの分析部分は、３２ｍｍの長さ及び０．８ｍｍの厚さ（すなわち、分析ゾーン３５の寸法に対応する）を有する。分配ゾーン３４について最初にＬ／Ｄ比が計算される。分配ゾーン３４は、分析ゾーン３５の境界３５ｃから分配ゾーン３４の水平底面３４ｃまでの第１深さを有し、これは計算された流入導管７の内径（すなわち４ｍｍ）に１ｍｍを加えた値に等しい。この深さは、流入導管７の第２端部２２から、流入導管７の内径（すなわち、４ｍｍ）に等しい距離だけ続くが、他の距離も可能である。第１セグメントＳ１のＬ／Ｄ1は、第１セグメントＳ１の長さＬS1（４ｍｍ）を、第１セグメントＳ１の全深さで割った値（深さ０．８ｍｍ＋１ｍｍ＋流入導管内径４ｍｍ）であり、これは４／５．８又は０．６９に等しい。
分配ゾーンの底部は、今度は傾斜しており、好ましくは分析ゾーンの底部と交差するまで６０度で傾斜している。分配ゾーン３４の底面３４ｃと分析ゾーンの底端３５との間の交差角度が６０°であるので、第２セグメントＳ２の傾斜部分は、線８４から２．９ｍｍの距離に、分析ゾーンの底部と線８６で交差する。ここで、８４に沿った最大深さと８６に沿った最大深さの和を２で割ったものは、（５．８＋０．８）／２＝３．３として計算することができる。したがって、第２セグメントＳ２のＬ／Ｄ2は、第２セグメントの長さＬS2（２．９ｍｍ）を第２セグメントＳ２の全深さで割ったものであり、２．９／３．３又は０．８８に等しい。
第３セグメントＳ３は、分析ゾーン３５の深さ（すなわち２ｍｍ）のみに等しい深さと、分析ゾーン３５の長手方向表面の初期計算値３２ｍｍの残りの長さに対応する長さＬS3（すなわち、３２ｍｍ−６．９ｍｍ＝２５．１ｍｍ）とを有する。したがって、第３セグメントＳ３のＬ／Ｄ3は３１．４である。
このサンプルハウジング３０を設計するために計算する第４セグメントＳ４は、通気ゾーン３６に対応する。第４セグメントＳ４の長さ（すなわち、通気ゾーン３６の長さ）は未知であり、全セグメントのＬ／Ｄの合計が２５より大きいという基準によって決定される。例えば、通気ゾーンの長さが２ｍｍで、深さが０．２ｍｍの場合、これでＬ／Ｄ4値が１０になるため、サンプルＳのすべてのセグメントのＬ／Ｄ比の合計（すなわち、０．６９＋０．８８＋３１．４＋１０）は４３となる。これは、すべての経済的選択肢の範囲内にある（すなわち、２５＜合計（Ｌ／Ｄ）＜５０）。
このように、各セグメントの長さは測定可能な限り小さくても、必要なアウトプットを提供できることが示されている。より小さいセグメントは、個々のセグメント値Ｌ／Ｄを流入導管７からガスカプラー２の方向に減少させることができないような基準に適合するうえで、設計者にとって望ましい。
当業者であれば、金属サンプルＳの全ての寸法をハウジング３０の寸法に基づいて計算することができることは、上記の実施例から理解することができる。
プローブ１０、特にサンプルチャンバ３は、従来技術の通常の従来のサンプリング装置が使用されるすべてのサンプリング用途に使用することができる。本発明の利点は、ホットメタルプロセスが非常に速く、金属の過処理及び／又は熱の過剰処理により、時間及び材料の点で追加の高コストを招く可能性があるが、プロセスの場所で容易に入手可能な金属化学特性によって避けられた可能性があるということに照らせば、理解することができる。
本発明は、以下の要件を満たすホットメタルの凝固サンプルを提供することによって、従来技術の欠点に対する解決策を提供する。
・発光分光計で分析される金属サンプル、
・ガス多孔性及びスラグ付着のない固体金属サンプル、
・ＯＥＳの表面からアノードまでの距離を固定する流体フローラインのない平坦な、採取された分析表面、
・酸化のないサンプル分析面、
・金属及び非金属偏析の領域を除去する、分析平面に垂直な最大厚さの均質金属サンプル、
・約１０ｍｍ×３０ｍｍにわたるサンプル分析表面を有し、それによって少なくとも２個、好ましくは４個のスパークを得るのに十分な表面積を提供する、
・サンプル分析面の平面が、０．１ｍｍ未満のばらつきでサンプルハウジング３０（すなわち、突起３９）によって両方の表面方向に中断することなく延長されるように、サンプルハウジング中のサンプリングされた金属が冷却される平面と同じ平面にあるサンプル表面。
当業者であれば、本発明の広い概念から逸脱することなく、上述した実施形態に変更を加えることができることが理解できる。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神及び範囲内の変更をカバーすることが意図されていることが理解される。

Claims (20)

  1. 溶融金属浴からサンプルを採取するためのサンプラーであって、
    浸漬端部を有するキャリアチューブと、
    前記キャリアチューブの浸漬端部に配置されるサンプルチャンバのアセンブリであって、カバープレートとハウジングを有するサンプルチャンバのアセンブリとを備え、
    前記ハウジングは、
    流入導管用の第１開口部を有する浸漬端部と、ガスカプラー用の第２開口部を有する反対端部と、
    前記浸漬端部と前記反対端部との間に延在する第１の面とを有し、
    前記第１の面は、前記浸漬端部に近接する第１の窪みと、第２の窪みとを有し、前記第１の窪みは分析ゾーンであり、第２の窪みは通気ゾーンであり、前記分析ゾーンの一部は、前記第１開口部と直接流れ連通し前記流入導管からの前記溶融金属を受け取るように構成された分配ゾーンの上にあり、
    前記分析ゾーンの深さは０．５〜１．５ｍｍであり、
    前記カバープレートと前記ハウジングは、前記分配ゾーン、前記分析ゾーン及び前記通気ゾーンを含むサンプルキャビティを形成するように組み立てられて構成され、
    組み立てられた前記カバープレートと前記ハウジングは、その中に受け取られた前記溶融金属を凝固した白色組織金属サンプルに冷却し、前記凝固した白色組織金属サンプルの分析表面が第１平面内にあるように構成され、前記サンプルチャンバの質量と、前記サンプルチャンバに受け取られた金属の質量との比が９〜１２であり、
    前記第１及び第２開口部は、前記第１平面から離間している
    ことを特徴とするサンプラー。
  2. 前記サンプルキャビティと前記第１及び第２開口部は、共通の長手方向軸に沿って一列に整列していることを特徴とする請求項１に記載のサンプラー。
  3. 前記分析ゾーン、前記分配ゾーン及び前記通気ゾーンは、連続した複数のセグメントとして構成され、各セグメントが長さ対深さ比を有し、前記複数のセグメントの前記長さ対深さ比の和が２５より大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載のサンプラー。
  4. 前記分配ゾーン、前記分析ゾーン及び前記通気ゾーンは、連続した複数のセグメントとして構成され、各セグメントが長さ対深さ比を有し、前記各セグメントの前記長さ対深さ比は、前記第１開口部からの距離が増加するにつれて漸次増加することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のサンプラー。
  5. 前記分配ゾーンの端部から前記第２開口部に延在する前記溶融金属の流れ方向において、前記サンプルキャビティの少なくとも一部の幅寸法が増加しないことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のサンプラー。
  6. 前記分析ゾーン及び前記通気ゾーンの全長が２０〜５０ｍｍの長さであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のサンプラー。
  7. 前記分析ゾーンは、前記分配ゾーンの上方に均一な深さを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のサンプラー。
  8. 前記分析ゾーンの少なくとも一部の断面積が前記溶融金属の流れ方向に徐々に先細りになることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のサンプラー。
  9. 前記通気ゾーンの断面積が前記溶融金属の流れ方向に徐々に先細りになることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のサンプラー。
  10. 前記サンプルチャンバの質量と、前記サンプルチャンバに受け取られた金属の質量との比が１０であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のサンプラー。
  11. 前記カバープレートは、前記サンプルチャンバの質量の１０〜２０％を占めることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のサンプラー。
  12. 前記流入導管の断面積が、前記分配ゾーンの断面積の０．２５〜０．５倍であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のサンプラー。
  13. 前記分配ゾーンの底面は、前記分析ゾーンの閉鎖底端と４０〜９０°の角度で交差することを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のサンプラー。
  14. 前記カバープレートは、前記カバープレートと前記ハウジングとの間に実質的に気密シールを提供するように構成されたシール部材を含むことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のサンプラー。
  15. 前記カバープレートは、金属クランプによって前記ハウジングに固定され、前記サンプルチャンバを形成することを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のサンプラー。
  16. 前記サンプルキャビティの開口部は前記第１及び第２開口部のみによって形成され、前記流入導管の端部が前記第１開口部内に固定され、前記ガスカプラーの端部が前記第２開口部内に固定されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載のサンプラー。
  17. 前記流入導管の断面積が前記分析ゾーンの断面積の０．５〜２倍であることを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載のサンプラー。
  18. 前記流入導管、前記分配ゾーン、前記分析ゾーン、前記通気ゾーン及び前記ガスカプラーが、この順番で、前記溶融金属の流れ方向に連続して配置されていることを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載のサンプラー。
  19. 前記ハウジングの前記第１の面は、そこから突き出る突起を有し、前記突起が前記通気ゾーン、前記分析ゾーン及び前記分配ゾーンを取り囲むことを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載のサンプラー。
  20. 前記カバープレートと前記ハウジングとが組み立てられると、前記カバープレートは、前記第１の平面に沿って前記ハウジングの前記突起と面一になることを特徴とする請求項１９に記載のサンプラー。
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