JPH0348145A - 溶融金属用介在物センサー - 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、溶融金属の精錬に際して、溶融金属中の介−
覆物、例えば２次相粒子、スラグ滴または／および気泡
（本明細書ではこれらの不導体を便宜上「介在物」と総
称する）の含有量を検出する装置に関する０本発明が対
象とするのは製鋼、アルミ精錬、銅精錬、チタン精錬、
マグネシウム精錬、その他の金属溶融精錬の際の溶融金
属であってその範囲は広いが、以下の説明では特に製鋼
における溶鋼を例にとる。

（従来の技術） 本発明に関係ある公知例として米国特許第４．５５５、
６６２号（１９８５年１１月）がある、その内容は溶融
金属純度分析法（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｍｅｔａｌ　Ｃ１ｅａ
ｎｌｉｎｅｓｓ　Ａｎａｌｙｓｉｓ、略してＬｉＭＣＡ
という）と呼ばれる介在物の定量的測定方法であり、そ
の原理はエレクトリンクセンシングゾーン法（＋！、Ｓ
、Ｚ、法と略称する）である、　ＬｉＭＣＡは本来アル
ミニウム精錬における非金属介在物の検出を目的として
開発された方法であるが、鉄鋼精錬への応用が検討され
ている。

ココニ、！！、Ｓ、Ｚ、法の原理は、第１図（ａ）、（
ｂ）に略式で示すように、電気的に絶縁された小孔（オ
リフィス）１０内を不導体の微小粒子１２が矢印方向に
順次通過するとき、この小孔１０内を流れる導電性液体
１４の電気抵抗値が粒子体積に正比例して増加するとい
う事実である。この抵抗値の瞬時的変化を電位差のパル
スとしてとらえ、次のようにして粒子の数と大きさを直
接測定できる。

まず、第１図（ａ）に示すように、粒子１２がオリフィ
ス１０を通過する際の電気抵抗値の変化ΔＲは、球形粒
子、円筒オリフィスを仮定して、πＤ４ で与えられる。ここにρ、は液体１４の比抵抗、ｄは粒
子１２の直径、Ｄはオリフィス１０の直径である。

実際には（１）式は次式（２）で表わされる補正係数Ｆ
（ｄ／Ｄ）を必要とする。

ｐ（ｄｌｏ）−（１−０，８（ｄｌｏ）ゴ〕　−１・　
・　・（２）結局ΔＲは πＤ４ で与えられる。オリフィス１０を流れる電流値を１とす
れば、直径ｄの粒子１２がこのオリフィス１０を通過す
るときの電位差パルスΔ■は、第１図ｂ）に示すように
、 ΔＶ＝１　・ΔＲ・・・・・（４） となる。

上記式（３）、（４］の関係式を使って、電流１は一定
であるから、ΔＶを測定することによりｄ（粒子直径）
が求められる。

第２図はかかる原理を応用した介在物センサーのプロー
ブを示すもので、外部電極を外部に設けたタイプの従来
装置を示す略式断面図である。

第２図の場合、外部電極は図示しないが、石英チューブ
２０内に支持された導電性耐火材料から成る内部電極２
１はグラファイト補強体２２を経て電極棒２３に接続さ
れている０石英チューブ２ｏの一部にオリイス２４が設
けられている。また石英チューブ２０の周囲にはスラグ
保護層２５が設けられている。

石英チューブ２０は０リング２６を備えたカンブラー２
７を介して水冷支持装置２８に保持されている。

測定に際しては、まず、溶融金属の収容室を兼ねる石英
チューブ２０の内部を真空吸引するとともに下部に設け
たオリフィス２４を通して溶融金属を石英チューブ内に
吸引する。このときの外部電極（図示せず）との間の電
気抵抗値の変化を検知して情用の手段で増幅して介在物
の定量化を行う。

これらの従来の連続測定タイプＬｉＭＣＡ方式は溶融ア
ルミニウム中の介在物検出、粒度分布測定に実施されて
いるが、これは溶融アルミニウムの温度が約７００℃と
比較的低いために、プローブの材？ｔ’Ｐ−電極材料等
に問題がなかったことによる。

しかしながら、鉄、チタンのように融点の高い金属の場
合には稼働温度が高＜　（１５５０°Ｃ以上）、プロー
ブ、電極の耐熱性の点で問題があり、実用化は困難とさ
れてきた。

従来のプローブはすべて連ＩＩｔ式（非接続式）であり
、−旦溶融金属に浸漬すると水冷して少なくとも３０分
以上測定を継続する形式である。

このような従来装置に対して、近年改良装置が例えば米
国特許第４，７６３．０６５号（Ｉｌａｃｈｅｙ）とし
て提案されている。

上記米国特許は、従来装置が電極分離型であったのに対
して、互いに絶縁された導電性外壁と導電性内壁とから
容器を構成してプローブ本体を構成していることを最大
の特徴としている。従来装置の欠点である測定に信幀性
がない点および高温強度に欠ける点を改良した装置であ
る。

しかしながら、その改良装置であっても溶鋼の介在物測
定用としてはまだ実用的とは言えない。

（発明が解決しようとする課題） 従来から用いられてきた連続使用タイプのプローブは時
々刻々変化する熔融金属中の介在物レベルを連続的に監
視するという利点があるが、他面下記の問題点および欠
点をもつ。

（１）鉄鋼等の高融点の金属に用いる場合、耐熱性、耐
反応性を確保するという観点から連続使用のためにプロ
ーブの材質を例えば石英チューブから構成するようにす
るなど高級化せねばならず、プローブ本体の価格が高く
なる。

（２）プローブの１本当たりの価格が高いにもかかわら
ず、たとえば溶鋼に使用する場合、そのプローブの耐久
時間は３０〜４０分である。

（３）従来の連続使用タイプのプローブは耐熱性とする
ために大型となりプローブ支持装置は水冷構造である。

従って取扱いが煩雑でプローブ昇降装置も大型で設備費
も高い。

ここに、本発明の目的はプローブ本体の低コスト化と取
扱いの簡便化および昇降装置の簡略化を図った介在物検
出用のセンサーを提供することである。

（課題を解決するための手段） 本発明者らはかかる課題を解決すべく検討したところ現
状では溶鋼等の１５００°Ｃ以上の高融点をもつ金属の
精錬は、基本的にはパンチ処理（転炉、ＲＨ処理等）で
あり、連続鋳造中の介在物レベルも同一バッチ（ヒート
）内ではそれほど変化しない。

すなわち連続鋳造中に常時介在物を監視する必要性は通
常の用途の鋼ではあまりなく、各バッチ（ヒート）処理
の代表値がわかれば十分な場合が多いことが判明した。

そこでまず介在物検出用センサーを消耗式ワンシジット
ブローフ゛とすることに着目し、そのためにワンタッチ
ジヨイントによってプローブ支持装置に接続すること、
さらに入口部分に介在物検出用オリフィスを設けた溶融
金属流入室の前記オリフィスに対向する反対側出口部分
に冷却帯域を設は溶融金属が真空吸引系に入らないよう
にすること、さらにまた外部溶融金属と接する前記溶融
金属流入室のオリフィスは蓋材で予め封止しておき、溶
融金属に接して初めて解放される構造とすることが効果
的であることを知り、本発明を完成した。

よって、本発明は、溶融金属中に浸漬され、エレクトリ
ックセンシングゾーン法により溶融金属中の介在物を検
出するセンサーであって、介在物を検出するプローブと
該プローブの支持装置とを着脱自在に構成してワンショ
ットプローブタイプとしたことを特徴とする溶融金属用
介在物センサーである。

本発明におけるプローブとプローブ支持装置との着脱機
構はできるだけ簡便なものが望まれ、例えば嵌め込み式
等、望ましくはワンタッチ方式のものであるが、特定の
ものには制限されない。

前記プローブの少なくとも先端部は１部に溶融金属流入
用のオリフィスを備えた絶縁性チヱーブから構成し、該
絶縁性チューブの内側および外側に導電性の内筒および
外筒をそれぞれ一方の電極として装着し、それぞれ内外
電極として利用してもよい。

あるいは、前記プローブの少なくとも先端部は、先端に
それぞれ内部フランジを有し互いに絶縁された内側およ
び外側の導電性内筒および外筒から構成し、それぞれ一
方の電極とするとともに、前記両内延フランジ間にオリ
フィスを設けた絶縁板を挟持させて、もよい。

本発明の別の態様によれば、前記プローブの内部を密閉
減圧構造とし、溶融金属中に該プローブを浸漬した際に
前記オリフィスを閉塞している蓋材が溶融し、前記プロ
ーブ内に該オリフィスを通じて溶融金属が流入するよう
な構造としてもよい。

さらに、密閉減圧構造の前記プローブを、冷却帯域を構
成する細孔でつながれた２室構造とじてもよい。

ここに「介在物」とは溶融金属中の２次相粒子（例：非
金属介在物）、スラグ滴、気泡等である。

このように、本発明によれば前述の従来技術の問題点は
次のようにして解決される。

（１）プローブ本体と低コスト化： 消耗式ワンシリットプロープとし、プローブ材質の低廉
化、軽量化を行う、そのかわり耐用時間は例えば２分間
というように１測定が十分にできる時間だけとする。

（２）取扱いの簡便化および昇降装置の簡略化：ワンシ
ッントプロープは軽量であり取扱いは容易である。プロ
ーブが軽量で水冷構造も不要であるためプローブの昇降
装置も簡略化される。あるいはオペレーターがプローブ
支持装置を手で支持するのみで測定できる。

かくして本発明にかかる装置により　１バツチ（ヒート
）の代表サンプリングの測定のみで済ますことにより、
プローブ本体と昇降装置の低コスト化が実現される。

（作用） 次に、本発明の溶融金属用介在物センサーの具体的構造
について添付図面を参照して説明する。

本発明には吸引系を外部装置としてもつ場合と吸引系を
外部にもたない場合とがある。

（＾）吸引系を外部装置としてもつ場合：第３図は吸引
系を外部装置として備えた本発明にかかるセンサー４０
の構造を示すもので、プローブ４１とプローブ支持装置
４２とは、図示例では嵌め込み式で脱着自在に設けられ
ている。本発明においてはワンショットプローブタイプ
であるため、両者のシール特性は余り厳密でなくてもよ
い。プローブ４１は外部室４０ａと内部室４０ｂとに冷
却帯域５２によって区画された溶融金属流入室４４が設
けられており、これは外部吸引系（図示せず）にプロー
ブ支持装置４２を経て適宜接続され、真空下に置かれて
いる。該溶融金属流入室４４の先端部に設けたオリフィ
ス４５にはオリフィスＭ４６とスラグブレーカと称する
例えばＡＱ製のフタ４７が設けられている。この溶融金
ｉ流入室４４の内部は内部電極４８を構成し、一方外部
電極５０は絶縁材層５Ｉを介して溶融金属流入室４４の
外側に設けられている。

スラグブレーカ−４７とオリフィス１ｉ４６は吸引初期
における真空チューブ４４ａから成るプローブ４１内の
真空度を確保するときもに、溶融金属へのプローブ突入
時に該溶融金属スラグの真空チェープ４４ａ内への侵入
を防ぐ、これら両者の作用によりスラグが内部電極４８
、つまり真空チューブ４４ａの内表面に付着することに
よる導電不良および信号不安定を防止する。

このスラグブレーカ−４７とオリフィス苦４６の融点は
、被測定溶融金属の融点よりも少なくとも１０°Ｃ以上
低いことが望ましく、それらの厚さも０．１〜１．０ｍ
ｍの範囲が望ましい、この厚さで使用前の強度が確保さ
れ、しかも熔融金属へのプローブ突入時に溶融金属の真
空チューブ４４ａ内への流入がとどこおりなく実行され
る。

溶融金属流入室４４を構成する真空チューブ４４ａはそ
の中に溶融金属を導入するための容器であり、真空チュ
ーブの吸引作用によりオリフィス４５を通過する際の溶
融金属の電気抵抗の変化から、該溶融金属中の介在物径
ならびに個数を測定するものである。この真空チューブ
４４ａは金属または導電性セラミックス（たとえばＺｒ
Ｂｇ）からできており、外部室４０ａと内部室４０ｂと
から成り、内部室Ｊｏｂは図中矢印で示すように排気系
に直結している。

外部室４０ａと内部室４０ｂとを区画するとともに前記
溶融金属流入、室の前記オリフィスに対向する反対側出
口部分に設けられた冷却帯域５２は直径０．１〜５ｓｕ
ｅ相当の断面積をもち、長さ１．５ｍｍ以上あることが
望ましい、これにより該？８融金属は冷却帯域５２内で
凝固し、排気系回路の溶損を防止するとともに、真空チ
ューブ内の外部室４０ａの体積分のみの被測定溶融金属
を吸引することとなり、そのとき外部室４０ａの体積が
既知であるから、総パルスカウント数を求めれば、該熔
融金属の単位体積当たりの介在物濃度が測定されること
になる。

真空チーブ４４ａの該溶融金属に対する耐損耗性が十分
測定に耐え得るものでない場合、内部電極４８は該真空
チューブ４４ａの内壁に密接した状態で内挿される、た
とえば黒鉛製の中空、筒状の導体である 保護用耐火物５５はプローブ４１０本体が溶融金属中に
浸漬されている時間（最大２分程度）、測定系（真空チ
ューブ、ケーブル、排気系等）を保護するためのもので
あり、耐火物（ＭｇＯ系、へＱ、ｏ、系等）あるいは紙
製（安価）でも十分である。

本発明にかかるこのワンショットプローブは様々の方式
のワンタッチジヨイントでプローブ支持装置４２のコネ
クターホルダーに接続され、測定に供した後、該コネク
ターホルダーから外され捨てられ、再測定時には新しい
プローブが同じ１桑作でプローブ支持装置４２に取付け
られる。このプローブ支持装置は再使用可能である。

（Ｂ）吸引系を外部にもたない場合： 第４図に示す装置の基本的構造は第３図のそれと同様で
あるが、真空チューブ４４ａの構造が異なる。

第４図において２室に区画された真空チューブ４４ａの
内側室４０ｂは予め真空吸引されて封止されている。し
たがって、オリフィス蓋４Ｇおよびスラグブレーカ４７
で封止された外側室４０ａとともに真空状態におかれ、
この状態で溶融金属内に浸漬される。図中、プローブ支
持装置およびそれとプローブ４１との接続様式について
は何ら示していないが、真空吸引系を備えない点を除い
て第３図のそれと同様のコネクターホルダーを使用して
もよい。

その池内外電極の配置、保護用絶縁材料層の設置等につ
いても第３図のそれに同様であってもよい。

真空チューブは完全に密閉構造であり、内部は１〜９０
ｋＰａに減圧されている。

介在物測定に際して溶融金属に浸漬すると真空チューブ
４４ａの外側室４０ａに溶融金属が吸引され、冷却帯域
５２にて凝固、吸引停止する。外側室４０ａと内側室４
０ｂの容積比は第４図の場合吸引力に関係し、初期の真
空チューブ内の真空度にもよるが〔外側室４０ａの体積
〕／〔内側室４０ｂの体積〕≦１が望ましい。

冷却帯域５２の寸法、外側室４０ａの機能ついては第３
図の場合と同様である。

ところで、吸引系を外部装置としてもつ場合あるいはも
たない場合のいずれにあっても、このオリフィスの形状
は特に制限されないが、溶融金属吸引時の乱流生成防止
のためには可及的に連続形状とすべく、例えば断面丸孔
で縁部を面取りするかあるいは周縁部にテーパ而を設け
るようにしてもよい。オリフィス直径も特に制限されな
いが、測定対象となる介在物の大きさに応して適宜決め
ればよい。しかし、例えばオリフィス直径を７００μｍ
以上とする場合、真空吸引を行わなくても溶融金属の静
圧だけでオリフィス孔への流入が可能となるなどの特に
吸引系を外部に持たない場合にとって利点が見られる。

また、電極と溶融金属との間には良好な電気的接触が実
現されなければならず、そのためには電極表面がその溶
融金属によって十分にヌレる必要があり、電極表面にお
ける酸化物皮膜あるいはガス皮膜の形成は避けなければ
ならない。

溶融金属と電極材料との組み合わせには多くのものがあ
り、本発明にあって特定のものに制限されないが、好ま
しい組み合わせとしては、例えば、溶融銅にはニッケル
電極、溶融アルミニウムには軟！′ＪＭ、極、′Ｌｇ鋼
には鋼、黒鉛等が挙げられる。その他、内部電極が鋼の
場合には溶融金属とのヌレ性改善のため錫めっきを行っ
てもよい。

第５図は、本発明にかかる装置の別の変更例を示す略式
断面図であって、図中、プローブ４１の少なくとも先端
部に設けた外部電極５０は適宜厚さおよび特性の絶縁耐
火物層５５によって保護されており、オリフィス４５の
周辺部だけが溶融金属に曝されることになる。

また、図示例にあってはオリフィス４５は内外部電極４
８．５０の先端にそれぞれ設けた内部フランジ５６．５
８に挟持されている絶縁板６２に設けられており、測定
精度を上げるために石英あるいはＢＮまたはＴｉＯ□な
どの高価な材料を使用しても、小さな部品を作るだけで
よいことからプローブ本体としては余り高価とはならな
い。

第５図において参照符号６０で示すのはスプラッシュパ
ンであって、これはオリフィス４５から室内に流入する
溶融金属流がフラッッシングしたりあるいは２．冷され
て室内全体を閉塞してしまうのを防止するために設ける
ものである。これにより室内での溶融金属の流れを均一
にして、測定精度を確保することができる。スプラッシ
ェパン６０の材質は溶融金属流入後に溶解してしまうも
のであってもよい。例えば、溶鋼の場合には軟鉄製の円
板をオリフィス４５に対向する位置に適宜支持したもの
であってもよい。

なお、第５図においては溶融金属流入室４４を鋼製とし
て内部電極を兼用させ、一方外部電極５０も鋼製とし、
これら両者の間にオリフィスを設けた絶縁板６２を介在
させ、少なくともプローブ４１部分、好ましくはこの組
立体全体を不定形耐火物で被覆成形してプローブ本体を
構成している。

本発明にかかる上記態様によれば、構造は非常に簡単と
なりしかも安価な材料で構成でき、それにもかかわらず
、かなりの精度の測定が可能になるなど、実用上の利益
は大きい。

次に実施例によって本発明をより具体的に説明する。

（実施例） 第４図のプローブを用いて溶鋼中の介在物濃度の測定を
行なった。そのプローブはＡＱｖＡスラグブレーカ−な
らびにオリフィス蓋、ステンレス鋼製真空チューブ、男
鉛製外部および内部電極、石英耐火物絶縁材（オリフィ
スと一体物となっている）から成り立っている。プロー
ブ支持装置とプローブとの接続は嵌め込み式とした。オ
リフィス直径は３０″Ｏμｍ、真空チューブ内の外側室
の内容積は５０ｃｄ、内側室のそれは１００　ｃｔｌ、
真空チューブ内の初圧力は７５　ｋＰａであった。

このプローブを１５６５°Ｃの連続鋳造タンデインユ内
の溶鋼にホールグーを手に持って浸漬し、該溶鋼中の非
金属介在物の濃度ならびに粒度分布を測定した。第１表
に供試溶鋼成分の組成を示す。

第１表　溶鋼成分組成（ｗｔ％） この溶鋼に９０秒間プローブを浸漬し、そのとき測定さ
れた定常時における介在物の粒度分布を第６図に示す。

比較のため第２図に示す装置を使用した従来の［！、Ｓ
、Ｚ、法（ＬｉＭＣＡ法）により同一溶鋼の非金属介在
物の濃度ならびに粒度分布を測定したところ、結果は第
７図に示す通りであった。第６図と比較してほぼ一敗し
た結果が得られたことが分かる。

なお、上記比較例は、第２図に示す構造のプローブでア
ルミニウム製プローブ支持装置、黄銅製接続器、アルミ
ニウム製水冷ホルダー、鋼製内部１！１掻棒、黒鉛製内
部電極、石英チューブ（オリフィス付）、セラミックス
ファイバー製放射シールド、ハイアルミナ製スラグ保護
層ならびに耐熱ゴム型Ｏ−リングから構成されたもので
あった。

ここで、本発明にかかる第３図および第４図のプローブ
の重量とコストおよび検出装置設備費を比較例のそれら
と対比したのが第２表である。

比較例を基準にしてプローブの重量は５ｋｇから１ｋｇ
へ、プローブの単価は約１０％と安くなり、設備費は１
０〜１５％にまで低減している。

第２表 （注）指数はいずれも比較例を１００とする。

（発明の効果） 以上詳述したように本発明にかかるプローブは安価であ
りながらその測定精度は従来の連続測定用プローブと比
較しても十分に高いものであって、その取扱いが簡便で
あるということからもその効果は著しい。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は、Ｉ！、Ｓ、Ｚ、法による介在
物検出の原理の説明図； 第２図は、Ｅ、Ｓ、Ｚ、法の従来法による介在物センサ
ーの連続測定用プローブの外部電極隔離タイプの概略説
明図； 第３図は、排気系を外部に接続する形式の本発明による
ワンショットプローブの概略説明図：第４図は、真空セ
ルを有し排気系のない形式の本発明によるワンショット
プローブの概略説明図：第５図は、本発明の別の変更例
を示す概略説明図：および 第６図および第７回は、本発明の実施例および比較例の
同一溶鋼中の介在物の粒度分布の結果を示すグラフであ
る。 ４０：　センサー　　　　　　４１：　プローブ４２ニ
ブロープ支持装万　４０ａ：外部室４０ｂ：内部室　　
　　　　４４：溶融金属流入室４５；　オリフィス　　
　　　４６：　オリフィス苫４８：内部電極　　　　　
５０：外部電極５２：冷却帯域

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）溶融金属中に浸漬され、エレクトリックセンシン
   グゾーン法により溶融金属中の介在物を検出するセンサ
   ーであって、介在物を検出するプローブと該プローブの
   支持装置とを着脱自在に構成してワンショットプローブ
   タイプとしたことを特徴とする溶融金属用介在物センサ
   ー。
2. （２）前記プローブの少なくとも先端部を１部に溶融金
   属流入用のオリフィスを備えた絶縁性チューブから構成
   し、該絶縁性チューブの内側および外側に導電性の内筒
   および外筒をそれぞれ一方の電極として装着した請求項
   １記載のセンサー。
3. （３）前記プローブの少なくとも先端部を、先端にそれ
   ぞれ内延フランジを有し互いに絶縁された内側および外
   側の導電性内筒および外筒から構成し、それぞれ一方の
   電極とするとともに、前記両内延フランジ間にオリフィ
   スを設けた絶縁板を挟持させたことを特徴とする請求項
   １記載のセンサー。
4. （４）前記導電性外筒の内延フランジの前記絶縁板を取
   り囲む周縁部を除いて少なくとも該導電性外筒全体を絶
   縁材層で被覆した請求項３記載のセンサー。
5. （５）前記内筒を内側電極とし、前記外筒を設けずに外
   側電極は別途離間設置した請求項２〜４のいずれかに記
   載のセンサー。
6. （６）前記プローブの内部を密閉減圧構造とし、溶融金
   属中に前記プローブを浸漬した際に前記オリフィスを閉
   塞している蓋材が溶融し、前記プローブ内に該オリフィ
   スを通じて溶融金属が流入する構造としたことを特徴と
   する請求項２ないし５のいずれかに記載のセンサー。
7. （７）密閉減圧構造の前記プローブ内部を冷却帯域を構
   成する細孔で連結された２室構造とした請求項６記載の
   センサー。