專利名稱：金屬純凈度評價裝置及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及物理或化學地檢測有關金屬中的非金屬夾雜物，例如從鋼中迅速排出到表面并聚集在表面的非金屬夾雜物，作為其總量評價或者按主成分粒度級別分布評價，精度良好地求出存在于金屬中的非金屬夾雜物比率的金屬純凈度評價裝置及其方法。
背景技術：
作為金屬，下面例舉出鋼的情況加以說明。存在于鋼中的非金屬夾雜物粒子，例如在鋁鎮(zhèn)靜鋼中，鋼中的氧與添加的鋁發(fā)生反應生成的氧化鋁系夾雜物，包含起因于煉鋼爐渣的石灰·二氧化硅等的爐渣系夾雜物，連續(xù)鑄造時的鑄型潤滑劑引起的粉末系夾雜物等，在薄板、線材等軋制成形時的中間產(chǎn)品或最終產(chǎn)品中，因為與裂紋和破損等缺陷有關，所以以種種方法進行評價，作為質(zhì)量管理而進行。
另一方面，在產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)缺陷的情況下，材料經(jīng)各種過程進行制造，在最終階段報廢，在成本上也成為大問題。因此，在質(zhì)量管理的早期階段期望增加質(zhì)量評價。特別是夾雜物的存在決定于金屬的精煉、凝固階段，所以迄今可以實施各種評價技術。
即使金屬之中，鋼的夾雜物評價技術，例如在第3版鐵鋼便覽II煉鐵·煉鋼(日本鐵鋼協(xié)會編，昭和54年10月15日丸善發(fā)行)中已有描述，但已知有基于鋼中的氧濃度的總氧(T〔O〕)法，用于評價大型夾雜物所使用的電解提取的殘渣法，放大觀察金屬斷面、評價夾雜物的顯微鏡法等。這些技術一般如表1中所示那樣，因為各自的特征，所以在成為調(diào)查對象的夾雜物種類和大小上有限制，并且由于評價方法花費時間，而成為問題。
另外，也已知道，用于預測產(chǎn)品缺陷的中間制品的信息不充分。即，如表1所示，在以往的方法中，評價試料不能充分代表中間制品的質(zhì)量，在試料的評價時需重要長時間，或者用像EB(電子束熔化)法那樣，熔化中的過熱過大的方法，在評價中存在夾雜物變質(zhì)等問題。
另外，泥渣法作為精度比較良好的方法而廣泛使用，但為了電解約1kg的試料全體，需要數(shù)日到數(shù)十日的極長時間。
另外，在利用少量的金屬試料進行評價時，因為等于評價多量金屬的一部分的金屬片試料，所以為了嚴格地評價金屬整體的純凈度，需要從同一金屬片采取許多試料，這妨礙評價的快速化。
表1

另外，熔化方法雖然與EB法不同，但在作為相同的熔化提出法考慮的方法中考慮使用冷卻坩堝法的感應熔化提出法。也就是說，是消除EB法的高溫熔化和由此而引起的夾雜物變質(zhì)，用少量的評價體積作為代表值的不充分等缺點的方法。作為測定以該冷卻坩堝懸浮熔化法制作的試料表面的夾雜物的方法，例如有在“Evalna-tionot allog cleanness in superclean materials”K.C.Millset al.，Turk-dogan Symposium Proceedings，pp.105-112(1994)文獻中記載的用掃描電子顯微鏡觀察表面夾雜物的方法。但是該文獻僅指出由于冷卻坩堝本身的特性作為評價方法的問題點，不是工業(yè)上廉價且迅速的金屬表面大范圍的非金屬夾雜物的評價方法。


圖1(a)和圖1(b)是冷卻坩堝裝置的重要部分的說明圖，圖1(a)是平面說明圖，圖1(b)是圖1(a)的イ-イ縱剖面說明圖，圖中1(1-1、……1-8)是形成坩堝的例如8個內(nèi)部被水冷卻的銅制扇形體，以插裝在數(shù)個大致等間隔位置中的縫隙3的間隔彼此鄰近配設而形成坩堝。圖中2是高頻線圈，圍繞坩堝而配置。
圖2(a)和圖2(b)是冷卻坩堝的作用說明圖。在高頻線圈2中箭頭5方向的高頻電流一旦流動，就在扇形體1的高頻線圈2側(cè)產(chǎn)生箭頭6-1方向的感應電動勢。然而因為扇形體被縫隙3相互隔離，所以感應電流不在鄰接的其他扇形體中流動，在扇形體1的高頻線圈的相反側(cè)，成為箭頭6-2方向的感應電流而流動。圖中4是金屬試料。在金屬試料4中，由于箭頭6-2方向的感應電流，渦流電流沿箭頭7方向流動。利用該箭頭7方向的渦流電流加熱熔化金屬片4。此時，因為在熔融的金屬4中流動箭頭7方向的渦流電流，所以利用在扇形體1中流動的箭頭6-2方向的感應電流，斥力8沿金屬中心方向起作用，借助該斥力8熔融金屬4與扇形體1保持非接觸的懸浮狀態(tài)。
冷卻坩堝法在非氧化氣氛中使金屬試料懸浮熔化，保持懸浮金屬熔液。在該保持期間，金屬試料內(nèi)的非金屬夾雜物如圖2(b)的9所示排出到金屬熔液表面。在保持一定時間后，一旦切斷在線圈中流動的電流，金屬熔液就以非金屬夾雜物聚集在表面的狀態(tài)進行凝固。通過測定聚集在凝固體表面的該非金屬夾雜物，評價金屬片的純凈度。
測定在金屬片內(nèi)部分散存在的非金屬夾雜物的以往方法，測定是煩瑣的，在測定中需要長的時間，而冷卻坩堝法，因為非金屬夾雜物聚集在凝固體的表面，所以聚集在表面的非金屬夾雜物的測定是簡易的，而且可以在短時間內(nèi)進行。另外，測定分散存在于金屬中的非金屬夾雜物的以往方法中，試料是極小的。作為鋼的代表值是不準確的。另一方面，冷卻坩堝法，可以使數(shù)gr(克)至數(shù)kg的金屬片一次懸浮熔化，比以往試料的量多，作為鋼的代表值也能進行比以往準確的評價。
發(fā)明的公開著眼于上述迄今仍成為問題的課題，如果能迅速評價對應于金屬錠制品質(zhì)量的中間制品質(zhì)量，就能大幅度改進成本、時間問題，從而完成了本發(fā)明。
即，本發(fā)明的目的在于解決在中間制品質(zhì)量評價中作為評價試料的代表性問題、測定時間和成本問題，以及把握夾雜物不變質(zhì)狀態(tài)等課題。另外，僅簡單地進行冷卻坩堝處悝，只是在試料表面聚集非金屬夾雜物，像在上述報告中那樣使用顯微鏡調(diào)查其表面，加上統(tǒng)計個數(shù)等花費時間就不可能達到所期望的目的。
本發(fā)明為了達到上述的目的，提供將由冷卻坩堝產(chǎn)生的非金屬夾雜物集中在對分析最有利的位置上，能高效率地進行全量測定的裝置及方法。
本發(fā)明的要點如下。
(1)金屬純凈度評價裝置，其特征在于，它是由下述裝置構成由具有曲率的底面和具有向上部逐漸擴大的傾鈄面的側(cè)面壁構成、而且中間插有半徑方向的縫隙的水冷金屬坩堝和，產(chǎn)生從上述水冷金屬坩堝的側(cè)壁面朝向中心方向的斥力、而使得金屬邊懸浮邊熔化的高頻電流導通的感應線圈和，是非氧化性氣氛的容納容器構成的金屬懸浮熔化裝置和，將非金屬夾雜物聚集于在上述懸浮熔化裝置中熔化·凝固的金屬表面特定位置的金屬從上述懸浮熔化裝置取出、移送到分析裝置中的搬運裝置和，用于分析上述聚集的非金屬夾雜物的裝置。
(2)在(1)中記載的金屬純凈度評價裝置，其特征在于，它是由下述裝置構成由以沿圓周方向分割的扇形體構成的上面敞開、下面封閉的水冷金屬坩堝和，圍繞坩堝而配置的、導通高頻電流的感應線圈和，非氧化性氣氛容器構成的金屬懸浮熔化裝置和，將利用上述懸浮熔化裝置熔化·凝固的金屬從上述水冷金屬坩堝取出且移送，使金屬能安置在給定的分析位置的搬運裝置和，分析聚集在上述金屬表面的非金屬夾雜物的能量分散型熒光X射線裝置。
(3)在(1)中記載的金屬純凈度評價裝置，其特征在于它是由下述裝置構成由以沿圓周方向分割的扇形體構成的上面敞開、下面封閉的水冷金屬坩堝和，圍繞坩堝而配置的、導通高頻電流的感應線圈和，非氧化性氣氛容器構成的金屬懸浮熔化裝置和，從該水冷坩堝取出由上述懸浮熔化裝置熔化·凝固的金屬，且能搬運到給定處理裝置的金屬搬運裝置和，將在由上述處理裝置熔化·凝固的金屬表面濃縮的非金屬夾雜物進行提取的酸溶解或電解裝置。
(4)在(1)中記載的金屬純凈度評價裝置，其特征在于，它是由下述裝置構成由以沿圓周方向分割的扇形體構成的上面敞開、下面封閉的水冷金屬坩堝和，圍繞該金屬坩堝而配置的，在其內(nèi)部導通邊使熔融金屬懸浮熔化，邊在上述熔融金屬表面給予沿坩堝壁向上方移動推力的高頻3相交流電流的感應線圈和，非氧化性氣氛容器構成的懸浮熔化裝置和，分析聚集在由上述懸浮熔化裝置熔化·凝固的金屬表面的非金屬夾雜物的輝度差面積換箕裝置。
(5)在(1)中記載的金屬純凈度評價裝置，其特征在于，供給在感應線圈中流動電流的裝置是單相交流電流。
(6)在(2)-(4)中的任一項中記載的金屬純凈度評價裝置，其特征在于，坩堝的內(nèi)面形狀具有以對稱面將以垂直軸作為對稱軸的旋轉(zhuǎn)體二分之一切斷的底部形狀和保持與該對稱面相同或者向上擴大的相似水平斷面形狀的圓錐臺上部形狀。
(7)在(2)-(4)中的任一項中記載的金屬純凈度的評價裝置，其特征在于，坩堝的內(nèi)面的底，是內(nèi)面直徑的90％以上的底面呈平面狀地形成。
(8)金屬純凈度的評價方法，其特征在于，利用懸浮熔化裝置使金屬片懸浮熔化一定時間，使存在于上述金屬片內(nèi)的非金屬夾雜物排出到熔融體表面，通過使用能量分散型分光器和熒光X射線分析法直接分析凝固后是彎曲且非平滑的金屬表面，計測構成非金屬夾雜物的元素量，鑒定非金屬夾雜物量。
(9)在(8)中記載的金屬純凈度評價方法，其特征在于，利用懸浮熔化裝置使金屬片懸浮熔化一定時間，使存在于上述金屬片內(nèi)的非金屬夾雜物排出到熔融體表面，以連接熔化時的最上點和最下點的軸為中心、間斷或連續(xù)地旋轉(zhuǎn)凝固后是彎曲且非平滑的金屬，通過使用能量分散型分光器的熒光X射線分析法直接分析金屬表面，計測構成非金屬夾雜物的元素，鑒定類別或來源不同的非金屬夾雜物量。
(10)金屬純凈度評價方法，其特征在于，利用懸浮熔化裝置使金屬片懸浮熔化一定時間，使存在于上述金屬片內(nèi)的非金屬夾雜物排出到熔融體表面，利用酸溶液溶解凝固后的金屬表面或者在水溶液系溶液、非水溶液系溶液中電解凝固后的金屬表面，提出過濾非金屬夾雜物，進行秤量·分析過濾的非金屬夾雜物，或者在將過濾的非金屬夾雜物按粒度級別進行分離后，進行秤量·分析。
(11)在(10)中記載的金屬純凈度評價方法，其特征在于，使金屬內(nèi)的非金屬夾雜物聚集在懸浮金屬熔液表面的懸浮金屬熔液的保持時間t(秒)是在下述(1)式的范圍內(nèi)。1≤t/(30d)≤20---(1)]]>但d是坩堝的最大內(nèi)徑(mm)(12)金屬純凈度評價方法，其特征在于，聚集在金屬熔液頂部表面的非金屬夾雜物的測定是在金屬試料懸浮熔化后切斷高頻電流，用CCD照像機拍攝冷卻中的金屬試料的表面和非金屬夾雜物的輝度差，對該影像進行圖像處理后，測定非金屬夾雜物的島狀占有面積。
(13)在(11)中記載的金屬純凈度評價方法，其特征在于，變化 (t懸浮金屬熔液的保持時間(秒)、d坩堝的最大內(nèi)徑(mm))，進行懸浮熔化處理，調(diào)查每一個 以最大頻度產(chǎn)生的非金屬夾雜物的直徑L后，預先掌握 與L的關系，在進行其他的金屬純凈度評價時，將 選定在所期望的值，對該其他金屬進行懸浮熔化處理，根據(jù)選定的 在上述其他金屬中以最大頻度產(chǎn)生的非金屬夾雜物的直徑L，推定為與預先掌握的關系相同，測定在上述其他金屬中直徑為L的非金屬夾雜物的產(chǎn)生量N，以該N作為上述其他金屬的純凈度進行評價。
(14)在(13)中記載的金屬純凈度評價方法，其特征在于，測定該其他金屬中直徑為L以上的L1、L2、……的非金屬夾雜物的產(chǎn)生量N1、N2、……，以該N1、N2、……作為該其他金屬的純凈度進行評價。
(15)在(10)中記載的金屬純凈度評價方法，其特征在于，從排出的非金屬夾雜物之中的最大直徑者中選擇10個以上的粒子，利用極值統(tǒng)計法推斷在采集該金屬片的金屬中存在的最大粒徑的非金屬夾雜物直徑。
對附圖的簡要說明圖1(a)是冷卻坩堝裝置的重要部分的說明圖，圖1(b)是圖1(a)的イ-イ縱剖面圖。
圖2(a)是冷卻坩堝的作用說明圖，圖2(b)是圖2(a)的縱剖面圖。
圖3是表示冷卻坩堝裝置的坩堝形狀的說明圖。
圖4是表示高頻電流和渦流電流的流動的說明圖。
圖5是表示懸浮熔化保持時間和非金屬夾雜物排出率的關系圖。
圖6是表示上浮非金屬夾雜物的在表面深度中存在比率圖。
圖7(a)是說明聚集在穩(wěn)定的懸浮熔化中的懸浮金屬熔液表面的非金屬夾雜物的移動圖，圖7(b)是表示感應線圈通電中止時表面的非金屬夾雜物的存在位置圖。
圖8是表示3相交流的冷卻坩堝裝置圖。
圖9是表示作用于熔融金屬的電磁力和表面張力等的關系圖。
圖10是表示按照表面電解法的母材和懸浮熔化材的非金屬夾雜物分布圖。
圖11是表示懸浮熔化試料的取料位置圖。
圖12是表示在實施例中使用的懸浮熔化用坩堝大小例子圖。
圖13(a)是表示實施例1的氧化鋁分析結(jié)果和總氧濃度的關系圖，圖13(b)是表示產(chǎn)品缺陷和非金屬夾雜物指數(shù)的關系圖，圖13(c)是表示實施例3的氧化鋁分析結(jié)果和總氧濃度的關系圖。
圖14是表示CaO分析結(jié)果和按照泥渣(スライム)法的分析結(jié)果的關系圖。
圖15是表示冷卻坩堝熔化材的提取非金屬夾雜物個數(shù)和以往的泥渣提取夾雜物個數(shù)的關系圖。
圖16是表示非金屬夾雜物粒徑和非金屬夾雜物個數(shù)的比率關系圖。
圖17是表示鐵試料中的非金屬夾雜物的評價例子圖。
圖18是表示利用坩堝最大內(nèi)徑為30mm的冷卻坩堝的非金屬夾雜物粒子的發(fā)生狀況圖。
圖19是表示利用坩堝最大內(nèi)徑為100mm的冷卻坩渦的非金屬粒子的發(fā)生狀況圖。
圖20是表示在與圖18不同的連鑄坯中的非金屬夾雜物粒子的發(fā)生狀況圖。
圖21是表示表3的凝固后的島狀占有率和非金屬夾雜物量的關系圖。
圖22是表示從咸至基準電流的80％進行凝固的表3電流切斷后15秒后的非金屬島狀占有率和非金屬夾雜物量的關系圖。
圖23是表示從減至基準電流的90％進行凝固的表3電流切斷后15秒后的非金屬島狀占有率和非金屬夾雜物量的關系圖。
圖24是表示利用表面電解法的非金屬島狀占有率和非金屬夾雜物量的關系圖。
實施發(fā)明的最佳方式在本發(fā)明中，為了高效率地進行試料的非金屬夾雜物的全量檢測，應該使排出的非金屬夾雜物的聚集控制在試料的最佳位置，進行懸浮熔化。借此，能夠簡便迅速地將排出而聚集的位置調(diào)節(jié)在能量分散型熒光X射線裝置能夠分析的合適位置上。作為其位置，當能夠聚集在試料表面部上面的中央部附近的情況下，可以在該位置與X射線視野合而為一，另外，當聚集在側(cè)面的表面部的中央部的情況下，通過旋轉(zhuǎn)X射線源，可以高效率地分析聚集的非金屬夾雜物。作為本發(fā)明的特征點，是代表性良好、廉價且能迅速進行地金屬純凈度評價。
以下，邊參照圖3邊說明本發(fā)明方法的具體構成。
在能控制作為非氧化氣氛是惰性氣體或減壓氣氛10的容器11中，配置由沿圖2(a)所示的圓周方向分割的金屬扇形體1構成、上面敞開、下面封閉的具有水冷12的金屬坩堝(冷卻坩堝)13。關于坩堝的形狀，可以是底面具有曲率、側(cè)壁面具有內(nèi)徑向上方擴大傾鈄的形狀。坩堝被流有以高頻發(fā)射器14提供的高頻電流15的水冷線圈16圍繞。作為對象而預先測定重量的金屬試料6放置在上述坩堝內(nèi)，線圈中一旦流過電流，熔融金屬6就靠所產(chǎn)生的電磁力17在水冷金屬坩堝13內(nèi)懸浮。此時的高頻電流和感應電流的流動說明圖是圖4，在高頻線圈中一旦流動高頻電流，在扇形體的高頻線圈側(cè)就產(chǎn)生感應電動勢5。但是因為扇形體被縫隙(スリツト)相互隔離，所以感應電流不在相鄰接的其他扇形體中流動，在扇形體的高頻線圈的相對側(cè)中形成感應電流而流動。在金屬試料中因感應電流而流有渦流電流7。利用該渦流電流7使金屬片加熱并熔化。此時，因為在熔融的金屬中流有渦流電流，所以借助在扇形體中流動的感應電流，斥力8沿金屬的中心方向起作用，依靠該斥力8熔融金屬與扇形體保持非接觸懸浮狀態(tài)。此時，因為坩堝內(nèi)部形狀是隨著向下方其斷面積變小，因此越是下方金屬中的電磁力作用越強。因此在熔融時，導致圖9所示的電磁力17和表面張力19及重力20的平衡，熔融金屬在坩堝內(nèi)懸浮。非金屬夾雜物比熔融金屬的比重輕，而且感應的電磁力以將熔融金屬擠到內(nèi)側(cè)的力的反作用作用在非金屬夾雜物上，非金屬夾雜物和熔融金屬之間因為存在界面張力，所以排到懸浮體外周18。保持一定時間后，一切斷在線圈中流動的電流，熔融金屬就凝固，非金屬夾雜物聚集在懸浮體表面。
本發(fā)明是由使已排出到表面的非金屬夾雜物聚集在能迅速評價的位置的發(fā)明而構成，以及由為了迅速求出存在于凝固后的非平滑表面上的非金屬夾雜物的量、組成、粒徑分布的發(fā)明而構成。
作為本發(fā)明特征的評價排出的非金屬夾雜物量的方法是具有以下特征的金屬純凈度評價方法用冷卻坩堝懸浮熔化裝置使金屬片懸浮熔化一定時間，使存在于該金屬片內(nèi)的非金屬夾雜物排出到熔融體表面，再使排出的非金屬夾雜物在表面聚集，通過具有能量分散型分光器的熒光X射線分析法直接分析懸浮熔化·凝固后的試料表面，計測構成非金屬夾雜物的元素量，鑒定非金屬夾雜物量。
利用冷卻坩堝懸浮熔化裝置進行懸浮熔化·凝固的試料表面是彎曲且非平滑的。而且排出到試料表面的非金屬夾雜物，呈島狀不均勻地存在于試料表面。為了迅速且簡便地分析以這樣的狀態(tài)存在的非金屬夾雜物，在本發(fā)明中，在熒光X射線分析裝置中使用能量分散型分光器，測定較寬的領域( 數(shù)mm，最好 10mm以上)。另外，通過分析凝固的試料整個表面，能夠更詳細且精度良好地分析非金屬夾雜物。本發(fā)明通過分析上浮在金屬表面的非金屬夾雜物能夠代表性地表示金屬整體的非金屬夾雜物的量。
作為本發(fā)明其他特征的分析排出的非金屬夾雜物的量、組成、粒徑分布的方法，是具有以下特征的金屬純凈度評價方法用冷卻坩堝懸浮熔化裝置使金屬片懸浮熔化一定時間，使存在于金屬片內(nèi)的非金屬夾雜物排出到熔融體表面，再使排出的非金屬夾雜物在表面聚集。此后，懸浮熔化·凝固后的試料表面用酸溶液或鹵素·醇溶液(例如溴甲醇溶液)進行溶解，或者在水溶液系溶液(例如，10％氯化亞鐵溶液、檸檬酸鈉溶液)或非水溶液系溶液(例如乙酰丙酮溶液)中進行電解，提取過濾非金屬夾雜物，秤量·分析過濾的非金屬夾雜物，或者在按粒度進行分離后進行秤量·分析。
再有，本發(fā)明是具有以下特征的金屬純凈度評價方法對金屬變化 (t懸浮熔化的保持時間(秒)，d坩堝的最大直徑(mm))進行冷卻坩堝處理，調(diào)查每一個 以最大頻度產(chǎn)生的非金屬夾雜物直徑L，預先掌握 和L(雜質(zhì)粒子的直徑)的關系。然后在評價其他金屬純凈度時，將 選定在所希望的值，對其他金屬進行冷卻坩堝處理。根據(jù)該選定的 在該其他金屬中以最大頻度產(chǎn)生的非金屬夾雜物的直徑L推定與上述金屬的情況是相同的，測定在該其他金屬中粒徑是L的非金屬夾雜物的產(chǎn)生量N，以N作為該其他金屬的純凈度進行評價。另外，本發(fā)明是具有以下特征的金屬純凈度評價方法測定在其他金屬中直徑為L以上的L1、L2……的非金屬夾雜物的產(chǎn)生量N1、N2、……，以該N1、N2、……作為該其他金屬的純凈度進行評價。
用顯微鏡等觀察凝固后的金屬表面，從粒徑最大者中選擇有統(tǒng)計意義的個數(shù)即最低10個以上、希望40個以上的非金屬夾雜物，在極值統(tǒng)計紙上畫曲線，推斷最大粒徑的粒子。關于該極值統(tǒng)計紙，例如在グンベル(貢佩爾)著的極值統(tǒng)計學(生產(chǎn)技術センタ一新社刊，昭和53年6月15日第5版)中已詳細描述。作為概要，本方法的場合，例如形成像以下那樣的步驟。熔化金屬，在顯微鏡下放大提取的非金屬夾雜物，拍攝照片，測定10處以上希望40個視野內(nèi)的最大夾雜物粒徑。然后，將測定了個數(shù)的非金屬夾雜物按大小序號重新排列，算出累積分布函數(shù)，在極值概率紙上畫出線。接著算出回歸式，預測最大非金屬夾雜物粒徑。按照本發(fā)明的方法能夠代表性良好、廉價且快速地進行金屬純凈度評價。
坩堝是如上述的形狀，例如是共知的(例如，第129·130回西山記念技術講座電磁力 利用 マテリァルプロセシング(利用電磁力的材料處理)，平成元年4月28日，社團法人，日本鐵鋼協(xié)會發(fā)行)間歇型或稱作懸浮熔化型的上面敞開、下面封閉的坩堝。
圖5是表示試料中的氧化鋁排出率和懸浮熔化保持時間的關系圖。從該圖可知，冷卻坩堝懸浮熔化法可懸浮熔化數(shù)10gr至數(shù)kg程度的試料，從使用100g金屬片的本發(fā)明人的試驗結(jié)果可知，若如圖5所示保持3分鐘以上的熔化，則排出約80％的試料中的非金屬夾雜物，即使熔化保持時間延長到3分鐘以上，排出率也不變化。從本發(fā)明人的實驗結(jié)果可知，排出到表面的非金屬夾雜物和雜質(zhì)大部分存在于表層約30μm的深度。(參照圖6)另一方面，X射線的透過率，鐵是約100μm程度，作為非金屬物的代表的氧化鋁是數(shù)10μm程度。因此，僅僅直接測定存在排出的非金屬夾物的領域，像本發(fā)明那樣使用熒光X射線分析法是效率最好的。
在懸浮熔化后再凝固的試料表面是彎曲面，而且是非平滑面。因此以通常的元素分析使用的波長分散型熒光X射線不能測定本試料。因而，本發(fā)明即使犧牲一些分析精度，也使用能測定彎曲且非平滑面的能量分散型熒光X射線分析法。
另外，如上所述，排出在試料表面的非金屬夾雜物以島狀存在，以極不均勻的狀態(tài)存在于試料表面。從本發(fā)明人的實驗可知，為了分析像這樣狀態(tài)的非金屬夾雜物，或需要一次測定數(shù)mm的范圍，或需要以數(shù)個部位測定小區(qū)域。實際上，若使一次X射線束達到10mm以上進行測定，則得到精度良好的測定結(jié)果。如可能，希望盡可能在試料表面的整個區(qū)域照射一次X射線。
另一方面，目前市售的熒光X射線分析裝置多數(shù)是，使一次X射線束縮小變細，測定微小領域的方法是主流。像本發(fā)明那樣，使一次X射線束擴大到數(shù)mm以上利用的情況還幾乎沒有。
另外，因為本發(fā)明分析非金屬夾雜物和雜質(zhì)粒子的元素組成，所以能夠區(qū)別組成且迅速地鑒定·定量包含在非金屬夾雜物和雜質(zhì)中的氧化鋁、氧化鈣、二氧化硅、氧化鎂、氧化鈉等。
為了迅速地將聚集在試料表面的非金屬夾雜物試料搬運到熒光X射線分析裝置等中，在本發(fā)明中作為將試料從坩堝中取出的裝置，設置電磁鐵或吸盤等，吸住試料后取出并搬運到設置在坩堝附近的上述分析裝置中。此時，由具有用于將非金屬夾雜物的聚集位置確定在分析用X射線照射范圍內(nèi)的位置設定裝置的搬運裝置構成。
如上所述，按照本發(fā)明，進行冷卻坩堝懸浮熔化后、用能量分散型熒光X射線分析法分析排出到試料表面的非金屬夾雜物，計測構成非金屬夾雜物的元素量，因此既能進行其成分分析，又能鑒定組成。
此外，如上所述，排出到表面的非金屬夾雜物其大部分存在于表層約30μm的深度。因此，像本發(fā)明那樣，通過將凝固后的試料最表面層的50-100μm左右溶解或電解，在比數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘的以往方法短得多時間內(nèi)，能夠回收分析作為目的的非金屬夾雜物的大部分。也如上述表明的那樣，本發(fā)明能提供作為煉鋼作業(yè)管理指標的耐使用、具備十分迅速性和簡便性的非金屬夾雜物分析方法。
另外，通過將回收的非金屬夾雜物在進行粒度區(qū)別分離后進行分析，不僅能夠分析非金屬夾雜物的成分，而且能夠測定粒徑和粒度分布，分析粒度不同的成分、分析粒度不同組成。
圖7(a)、(b)是表示在感應加熱線圈中流有通常的單相的高頻電流的以往的冷卻坩堝法中，排出到懸浮金屬熔液表面的非金屬夾雜物的移動說明圖，圖7(a)是通電中的說明圖，圖7(b)是切斷高頻電流時的說明圖。在懸浮金屬熔液中，形成在中央上升并沿表面向下流動的金屬熔液的緩慢液流10。在該金屬熔液的液流10中流動后、排出到金屬熔液表面的非金屬夾雜物的一部分9-1在懸浮金屬熔液4和扇形體的間隙間移動。在此狀態(tài)若切斷高頻電流，則非金屬夾雜物9-1如圖7(b)所示，不聚集在金屬熔液的頂部表面，而擠進金屬熔液的下部表面附近。因此，在圖7(b)的情況下，當評價金屬的純凈度時，就等于測定凝固后的圖7(b)的試料4的金屬表面。但是，因為非金屬夾雜物分散在表面，測定面積廣，所以難說非金屬夾雜物評價的簡便性和快速性是充分的。
因此，在本發(fā)明中，在使用單相交流電的懸浮熔化的情況下，如圖7(a)所示，非金屬夾雜物圍繞熔融金屬的對稱軸涌出上升，乘沿坩堝壁下降的液流，準積在側(cè)壁和熔融金屬之間。一旦切斷在線圈中流動的電流，就像圖7(b)所示那樣，懸浮金屬靠重力作用被推壓到坩堝底部，排出到表面的非金屬夾雜物，一部分被捕集到金屬的側(cè)部，另一部分移動到金屬的上部。在此，如果將線圈中流動的電流的切斷，是保持在懸浮中的金屬凝固的電流水平上，在金屬凝固后再進行，則非金屬夾雜物僅被捕集到側(cè)部，形成帶狀的聚集帶。
圖8是本發(fā)明的感應的加熱線圈，在該線圈中通有感應加熱線圈的位相不同的3相交流高頻電流U、V、W。該感應加熱線圈的構成是應具有利用3相交流U、V、W在懸浮熔化的金屬熔液4表面形成向上流11的線性電動機功能。另外高頻電流U、V、W的構成是應使金屬試料4能懸浮熔化。即本發(fā)明的感應加熱線圈是在使金屬試料4進行懸浮熔化的同時，在懸浮熔化的金屬熔液表面形成上流11的感應加熱線圈。本發(fā)明，在使用3相交流電時，如圖8所示，因為在熔化中液流也沿坩堝壁向上，所以非金屬夾雜物僅聚集在上部，不管電流的切斷條件如何，凝固后也都聚集在上部，由此包含在金屬試料中的非金屬夾雜物，通過測定金屬熔液頂部的島狀占有區(qū)的非金屬夾雜物，能夠大略掌握其全量，能夠極簡便且快速地評價金屬純凈度。
實施例1用寬1500mm、厚250mm的鑄型，以鑄造速度1.2m/分鑄造的20個低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的鋼錠，如圖11所示那樣，由鑄錠寬度方向1/4及1/2部位，切取沿鑄造方向20mm，沿厚度方向離表層30mm，沿寬度方向20mm的試料，使用內(nèi)徑40mm、深40mm、離上端20mm至40mm具有拋物線狀的斷面形狀、像圖12那樣的坩堝，在使保護氣體相對大氣壓的表壓為0.2氣壓下進行保護氣氛熔化。在線圈中給予30KW的電力，熔化后保持5分鐘，此后經(jīng)10秒使電力成比例地降低到0KW電力。熔融試料以其頂部作為最終凝固位置，以無縮孔狀態(tài)凝固。然后調(diào)查非金屬夾雜物的島狀聚集的面積。另外，對從同一樣品的附近位置切取的相同尺寸的試料分析其總氧(T〔O〕)并進行比較。在圖13(a)中示出兩者指數(shù)進行比較的結(jié)果，得到良好的相互關系。同樣，在圖13(b)中示出與同一鑄錠的軋制、表面處理后的制品板的缺陷指數(shù)的指數(shù)比較，得到良好的相互關系。
實施例2用160mm方鑄型，以鑄造速度2m/分鑄造的高碳鋼的鑄錠，如圖11所示的由鑄錠邊方向1/2部位切取沿鑄造方向20mm、沿厚度方向離表層30mm、沿寬度方向20mm的試料，使用內(nèi)徑40mm、深40mm、離上端20mm至40mm具有拋物線狀的斷面形狀、像圖12那樣的坩堝，在使保護氣體相對大氣壓的表壓為0.2氣壓下進行保護氣氛熔化。在線圈中給予30KW的電力，熔化后保持5分鐘，此后降低電力。熔融試樣以其頂部作為最終凝固位置，以無縮孔狀態(tài)進行凝固。此后，從熔化凝固試料表面電解提取的非金屬夾雜物集中在濾紙上進行顯微鏡觀察，從50個視野(1個視野為0.02833mm2)進行每一視野的最大非金屬夾雜物的極值統(tǒng)計，推斷最大粒徑的非金屬夾雜物。另一方面，熔化同一尺寸的試料50個，調(diào)查各個試料表面的最大粒徑的非金屬雜物，與推斷結(jié)果進行比較。在表2中示出進行極值統(tǒng)計的推斷粒徑和50個試料表面中最大的非金屬夾雜物粒徑，但得到大致符合預測粒徑的結(jié)果。
表2

實施例3用寬1500mm、厚250mm的鑄型，以鑄造速度1.2m/分鑄造的低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的20個鋼錠，由鑄錠寬度方向1/4和1/2部位，切取沿鑄造方向20mm，沿厚度方向離表層30mm，沿寬度方向20mm的試料，用內(nèi)徑40mm、深40mm、離上端20mm至40mm具有拋物線狀的斷面形狀、像圖12那樣的坩堝，在大氣壓Ar氣氛下進行熔化，熔化后保持5分鐘，排出非金屬夾雜物后進行凝固。
用熒光X射線分析法分析再凝固了的試料表面上呈島狀聚集的非金屬夾雜物。以一次X射線強度為1μA×50KV、照射徑為13mm、照射時間為30秒進行測定。從Al、Si、Ca等的熒光X射線強度測定試料中的氧化鋁、二氧化硅、氧化鈣等的存在量。另外，對從同一樣品的附近位置切取的相同尺寸的試料進行總氧分析。進行這兩者的測定結(jié)果比較，如圖13(c)所示從熒光X射線分析得到的鋁強度和總氧之間得到良好的相互關系。另外，用另外切取的同樣試料，按照本發(fā)明的方法，進行熒光X射線分析非金屬夾雜物中的鈣，求出與按照泥渣法得到的CaO的相關值，在兩者之間看到如圖14所示的良好相互關系。另外，如圖16所示，每50μm的大小分布，與泥渣法的結(jié)果幾乎沒有變化。按照本發(fā)明的方法測定包含在中間包內(nèi)的試料和鑄錠中的非金屬夾雜物量，比較的結(jié)果示于圖15中。如從圖中看到的那樣，在中間包內(nèi)非金屬夾雜物量多，在鑄錠中非金屬夾雜物少，像這樣能夠廉價快速且簡便地進行鋼試料中的的夾雜物評價。
即，按照本發(fā)明的方法，包括在冷卻坩堝懸浮熔化中5分鐘左右，熒光X射線分析1分鐘左右以及將試料安置在裝置內(nèi)等是10分鐘左右，就能評價非金屬夾雜物，與以往的評價方法相比，能夠飛速地以短時間進行鑄錠質(zhì)量評價。
實施例4用寬1500mm、厚250mm的鑄型，以鑄造速度1.2m/分鑄造的20個低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的鋼錠，由鑄錠寬度方向1/4和1/2部位，切取沿鑄造方向20mm，沿厚度方向離表層30mm、沿寬度方向20mm的試料，使用內(nèi)徑40mm、深40mm、離上端從20mm至40mm具有拋物線狀的斷面形狀、像圖12那樣的坩堝，在大氣壓Ar氣氛下進行熔化，熔化后保持5分鐘，在排出非金屬夾雜物后進行凝固。
以本發(fā)明的表面電解法分析再凝固的試料表面。作為表面電解法，例如以熔化的試料作為陽極，固定在10％乙酰丙酮系電解液中，以電流密度5-50mA/cm2的條件，將作為基體的鋼電解0.5g程度，以排出到試料表面的非金屬夾雜物作為電解殘渣，殘留在溶液中，在電解終了后過濾電解溶液，使非金屬夾雜物在濾紙上作為殘渣而回收。對該殘渣進行秤量、粒度分析或成分分析等。
作為非金屬夾雜物的分析方法，或用熒光X射線分析法分析濾紙上的殘渣，或在白金坩堝中將包含殘渣的濾紙加熱灰化后，用碳酸鈉、碳酸鉀、硼酸鈉的混合熔劑進行熔化，用稀鹽酸溶液將熔塊加溫溶解后，用等離子體發(fā)光分光分析或者原子吸光分析進行分析。
作為氧化物的粒度測定方法，使用超聲波篩分法。用超聲波使濾紙上的殘渣分散在甲醇溶液或乙醇溶液中，將該溶液注入具有合適目孔的金屬濾器上，邊給予超聲波振動邊過濾分級，根據(jù)各自的濾器上的殘渣重量和化學分析值，求出非金屬夾雜物的粒度分布和成分組成。
如圖10所示，已清楚經(jīng)懸浮熔化濃縮在表面、而且電解提取的氧化物，和將懸浮熔化中使用的試料相同母材直接電解提取的氧化物，大體上每種粒徑的提取頻度是相同的。即，按照本評價法，在試驗中夾雜物等不變質(zhì)，能夠得到母材本身具有的非金屬夾雜物信息。因此，按照本評價方法，能夠使以往的鑄錠質(zhì)量評價飛速地在短時間內(nèi)進行。
另外，按照本發(fā)明的方法。測定包含在中間包內(nèi)試料和鑄錠中的非金屬夾雜物，比較結(jié)果示于圖17。如該圖表明的那樣，在中間包內(nèi)非金屬夾雜物多，而鑄錠中非金屬夾雜物少，像這樣能夠廉價、快速且簡便地進行鋼試料中的非金屬夾雜物評價。
實施例5本發(fā)明人從低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的厚250mm連鑄鑄錠的皮下約30mm切取試料，使用坩堝的最大內(nèi)徑為30mm的冷卻坩堝，在大氣壓Ar氣氛下將試料懸浮熔化，將懸浮金屬熔液保持后述的t秒時間，然后使金屬熔液凝固。目視觀察在凝固體表面聚集的非金屬夾雜物粒子。以非金屬夾雜物粒子聚集在表面的凝固體作為陽極，固定在10％乙酰丙酮系電解液中，在電流密度5-50mA/Cm2的條件下，與凝固體的表面金屬雜質(zhì)粒子一起電解0.5g。然后過濾電解溶液，用超聲波篩分法分散濾紙上的殘渣，注入具有所希望大小目孔的金屬濾器上，邊給予超聲波振動邊進行過濾分級。
本發(fā)明人對相同爐料的連鑄鑄錠進行3次上述試驗，懸浮金屬熔液的保持時間t分別是60秒、120秒和180秒。另外分級過的非金屬夾雜物粒子，根據(jù)其大小，分類為8種第1種(300μm以上)、第2種(250μm-300μm)、第3種(200μm-250μm)、第4種(150μm-200μm)、第5種(100μm-150μm)、第6種(50μm-100μm)、第7種(10μm-50μm)、第8種(不到10μm)。
圖18是試驗結(jié)果，縱軸是每1kg金屬片的非金屬夾雜物粒子的個數(shù)。如在t＝60″(實線)的柱式圖解中看到的那樣，在懸浮金屬熔液的保持時間t為60秒時，以最大的頻度產(chǎn)生的非金屬夾雜物粒子的大小是第5種，是100μm-150μm的大小。另一方面，如在t＝120″(虛線)的柱式圖解中看到的那樣，懸浮金屬熔液的保持時間是120秒時，最大頻度的非金屬夾雜物粒子是第7種。另外，如在t＝180″(一點點劃線)的折線圖中看到的那樣，懸浮金屬熔液的保持時間是180秒時，最大頻度的非金屬夾雜物粒子是第8種。
此外，如在圖18看到的那樣，第1種-第5種的大型非金屬夾雜物粒子，在60秒的保持時間幾乎都聚集在金屬熔液表面，即使保持時間延長到120秒、180秒，其數(shù)目也幾乎不增加。另外，第6種-第7種的中型非金屬夾雜物粒子，在60秒的保持時間向金屬熔液表面的聚集是不充分的，但120秒的保持時間大部分聚集在金屬熔液表面，但保持時間進一步延長到180秒，其數(shù)目也幾乎不增加。第8種的小型非金屬夾雜物的粒子，用120秒的保持時間是不夠的，經(jīng)180秒的保持，大部分聚集在金屬熔液表面。
本發(fā)明人使用坩堝的最大內(nèi)徑為100mm的冷卻坩堝代替圖18的最大內(nèi)徑30mm坩堝，從與圖18相同的連鑄鑄錠的皮下約30mm切取試料，進行實驗。另外在此時，懸浮金屬熔液的保持時間t是110秒、220秒、330秒。聚集在懸浮金屬熔液表面的非金屬夾雜物粒子進行與圖18情況相同的處理而分級。
圖19是其試驗結(jié)果。此時，如在t＝55″的二點點劃線的折線圖中看到的那樣，在懸浮金屬熔液的保持時間是55秒時，第1種以上的極大非金屬夾雜物粒子聚集，但比此小的非金屬夾雜物粒子的聚集是不充分的。非金屬夾雜物粒子的大小是100μm-150μm的第5種成為最大頻度的t，在圖18中是60″，而在圖19中成為110″。同樣，非金屬夾物粒子的大小是10μm-50μm的第7種成為最大頻度的t，在圖18中是120″，而在圖19中成為220″。
如上所述，在坩堝最大內(nèi)徑不同的冷卻坩堝的情況下，若不改變懸浮金屬熔液的保持時間t，則不能使相同大小的非金屬夾雜物粒子聚集。但是，若使用坩堝最大內(nèi)徑(dmm)與懸浮金屬熔液的保持時間t的比 ，則如在圖18和圖19中看到的那樣，即使改變坩堝的內(nèi)徑d，在 相同的情況下，相同大小的非金屬夾雜物發(fā)生聚集。即在 為2時，在圖18中和在圖19中第5種都成為最大頻度，在 為4時，在圖18中和在圖19中第7種都成為最大頻度。
因此在本發(fā)明中，在使用大小不同的坩堝時，可根據(jù) 調(diào)整懸浮金屬熔液的保持時間，但通過這種調(diào)整，即使使用大小不同的坩堝時，也能正確掌握非金屬夾雜物粒子，并且可以直接比較使用大小不同的坩堝時的非金屬夾雜物粒子的測定結(jié)果。
根據(jù)本發(fā)明人等的見識，用冷卻坩堝進行處理，所觀測的大小超過300μm的巨大非金屬夾雜物粒子，對一切品種的鋼材來說都是不利的。因此希望時常預先掌握。這樣巨大的非金屬夾雜物粒子，如在圖19的二點點劃線折線圖中看到的那樣，在t/(30d)=1]]>時，幾乎都聚集。因此，本發(fā)明的 規(guī)定為1以上。在圖18和圖19中雖然沒有表示，但根據(jù)本人等的見識，若t/ 達到6以上，則比第8種更細小的非金屬夾雜物粒子稍微增加。但是， 是20，細小非金屬夾雜物粒子的這種微增達到飽和。因此， 超過20是不必要的。由此本發(fā)明的t/ 規(guī)定為20以下。
本發(fā)明人等使用與圖18相同的坩堝最大內(nèi)徑30mm的冷卻坩堝，從與圖18不同的連鑄鑄錠切取試料，使懸浮金屬熔液保持時間達到60秒、120秒、180秒進行試驗。另外，聚集在懸浮金屬熔液表面的雜質(zhì)粒子與圖18情況相同地進行處理而分級。
圖20是其試驗結(jié)果。因為圖20是與圖18不同爐料的連鑄鑄錠，所以非金屬夾雜物粒子個數(shù)與圖18不同。但是在 是2時，以最大頻度產(chǎn)生的非金屬夾雜物粒子的大小與圖18同樣是第5種，在 是4時，最大頻度的非金屬夾雜物粒子與圖18同樣是第7種，在 是6時，最大頻度的非金屬夾雜物粒子與圖18同樣是第8種。另外圖20的情況也與在圖18中所述的相同，第1種-第5種的大型非金屬夾雜物粒子，在 是2時，幾乎都聚集在金屬熔液表面，即使使 再達到4和6，其數(shù)目也幾乎不增加。并且第6種-第7種的中型非金屬夾雜物粒子，在t/ 是2時，向金屬熔液表面的聚集不充分，但在 是4時，大部聚集在金屬熔液表面，即使使 達到6，也幾乎不增加。
也就是說，盡管進行測定的連鑄鑄錠的爐料不同，但第5種的非金屬夾雜物粒子，在 是2時，以最大的頻度表現(xiàn)，第7種的非金屬夾雜物粒子，在 是4時，以最大頻度表現(xiàn)。在本發(fā)明中，例如在圖18的爐料的連鑄鑄錠中，使 按2，4，6那樣改變，進行冷卻坩堝處理，每一個 以最大的頻度產(chǎn)生的非金屬夾雜物粒子的直徑L預先把握為第5種、第7種、第8種。
若像這樣的預先把握，則在進行評價其他爐料，例如圖20的連鑄鑄錠的純凈度時，例如若將 選定在4，進行冷卻坩堝處理，則推斷在圖20的情況下，以最大頻度產(chǎn)生的非金屬夾雜物粒子的直徑L也是第7種。此時按本發(fā)明測定L是第7種非金屬夾雜物粒子的發(fā)生量為N個/Kg?；蛘邷y定L是7種以上的第1種-第7種非金屬夾雜物粒子的發(fā)生量N1、N2、……N7。
例如連鑄鑄錠進行塑性加工制成鋼成品。此時，非金屬夾雜物粒子在鋼材和鋼成品的制造過程中產(chǎn)生裂紋等缺陷，并且產(chǎn)生使鋼成品的使用壽命縮短等質(zhì)量上的缺陷。但是如果塑性加工手段不同，并且鋼成品的種類不同，使得產(chǎn)生裂紋等缺陷和質(zhì)量上的缺陷的非金屬夾雜物粒子大小也發(fā)生變化。即，由于塑性加工手段和成品鋼種類不同，往往只有比第7種大的非金屬夾雜物粒子產(chǎn)生缺陷，而比第7種小的非金屬夾雜物粒子不產(chǎn)生缺陷。
在此時，不必要測定比第7種小的非金屬夾雜物粒子的發(fā)生量，因此例如將 (30d)選定為4進行冷卻坩堝處理，通過測定第7種非金屬夾雜物的發(fā)生量N個/Kg，可以進行該金屬純凈度的評價。在此時，因為不必要測定比第7種更多發(fā)生的第8種非金屬夾雜物粒子的發(fā)生量，所以金屬純凈度的測定也比以往簡便化且容易。
實施例6本發(fā)明人從3種不同爐料、厚250mm的低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的連鑄鑄錠切取試料，用坩堝最大內(nèi)徑為30mm的冷卻坩堝，在大氣壓的Ar氣氛下，將上述試料懸浮熔化，將懸浮金屬熔液保持120秒，使非金屬夾雜物聚集在懸浮金屬熔液的表面后，切斷在冷卻坩堝的線圈中流動的高頻電流，用CCD照像機拍攝從高頻電流切斷經(jīng)過10秒時和經(jīng)過15秒時的坩堝內(nèi)的金屬上部表面。此時，在坩堝內(nèi)的金屬上部表面，非金屬夾雜物的占有部位形成島狀，由于金屬和島狀非金屬夾雜物占有部位的輝度差，非金屬夾雜物占有部位作為島狀圖像被拍照下來。對該圖像進行圖像處理，分別求出非金屬夾雜物的占有部位面積。
另外，用CCD照像機拍攝在鉗鍋內(nèi)的表面上聚集了非金屬夾雜物的金屬試料，凝固結(jié)束后再從坩堝取出，在常溫下測定島狀非金屬夾雜物的占有部面積后，作為陽極固定在10％乙酰丙酮系電解液中，在電流密度5-50mA/cm2的條件下使金屬表面電解0.5gr，進行過濾，然后測定非金屬夾雜物的重量。
本發(fā)明人還從3種不同爐料的低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的連鑄鑄錠切取試料，用坩堝最大內(nèi)徑100mm的冷卻坩堝，在大氣壓的Ar氣氛下將上述試料懸浮熔化，將懸浮金屬熔液保持400秒，使非金屬夾雜物聚集在懸浮金屬熔液的表面后，切斷在冷卻坩堝的線圈中流動的高頻電流，用CCD照像機拍照從高頻電流切斷經(jīng)過10秒時和經(jīng)過15秒時的坩堝內(nèi)的金屬上部表面。
所拍攝的圖像進行與坩堝最大內(nèi)徑30mm相同的圖像處理，求出島狀非金屬夾雜物的占有部面積。另外，在坩鍋內(nèi)表面上聚集了非金屬夾雜物的金屬，與坩堝最大內(nèi)徑30mm的情況相同，在常溫下測定島狀非金屬夾雜物的占有部面積，然后將金屬表面電解1gr，測定非金屬夾雜物的重量。
這些試驗結(jié)果示于表3中。
表3

如表3所表明的那樣，島狀非金屬夾雜物的占有面積，從電流切斷后的時間為10秒時(表3的a)為最大，隨時間的流逝而縮小，在凝固后(表3的c)最小。凝固后的島狀非金屬夾雜物占有部的面積(表3的c)和以電解得到的非金屬夾雜物量(表3的d)用圖表示的話，如圖21所示，如圖21表明的那樣，凝固后的島狀非金屬夾雜物的占有面積和以電解提取得到的非金屬夾雜物量存在密切的相關關系。因而非金屬夾雜物量的評價可以不進行費事的電解提取，而是通過測定凝固后的島狀非金屬夾雜物的占有面積來進行。
圖22是表示從表3的電流切斷經(jīng)過15秒時的島狀非金屬夾雜物占有部的面積(表3的b)和以電解得到的非金屬夾雜物量(表3的d)的關系圖。圖22與圖21相比變動大，但是從電流切斷經(jīng)過15秒的島狀非金屬夾雜物占有部的面積也與用電解提取得到的非金屬夾雜物量有密切的相關關系。因而非金屬夾雜物量不需等試料凝固，用CCD照像機拍攝從電流切斷經(jīng)過15秒時的坩堝內(nèi)的金屬上部表面上形成的島狀非金屬夾雜物的占有部，對金屬的島狀非金屬夾雜物占有部的輝度差的圖像進行圖像處理，測定非金屬夾雜物的占有面積，就能進行評價。
圖23是表示從表3的電流切斷后經(jīng)過10秒時的島狀非金屬夾雜物占有部面積(表3的a)和用電解得到的非金屬夾雜物量(表3的d)的關系圖。如圖23表明的那樣，在從電流切斷經(jīng)過10秒時，在島狀非金屬夾雜物占有部面積和非金屬夾雜物量之間沒有很密切的相關關系。因此，從電流切斷經(jīng)過10秒時的島狀非金屬夾雜物占有部面積，作為評價非金屬夾雜物量的尺度是不適當?shù)摹Ｓ捎谝陨系睦碛?，在本發(fā)明中，從電流切斷經(jīng)過不到15秒時期的島狀非金屬夾雜物占有部面積，不能用于金屬純凈度的評價，而從電流切斷經(jīng)過15秒以上時期的島狀非金屬夾雜物的占有部面積專門用于金屬純凈度評價。
根據(jù)本發(fā)明人的見識，冷卻坩堝中的懸浮金屬熔液的保持時間t(秒)和坩堝最大內(nèi)徑d(mm)之比 不到1時，非金屬夾雜物向懸浮金屬熔液表面的聚集是不充分的。若 達到1時，則大小為300μm左右的大型非金屬夾雜物聚集在懸浮金屬熔液的表面。300μm左右的大型非金屬夾雜物在鋼材和鋼成品的制造過程中及使用時大多發(fā)生缺陷。因此，在非金屬夾雜物管理時最好t/ 是1以上。一旦使 大于1，則隨 增加的同時，小的非金屬夾雜物也聚集在懸浮金屬熔液的表面。但是，即使 超過20，聚集在懸浮金屬熔液表面的非金屬夾雜物也不再增加。因而懸浮金屬熔液的保持時間t最好是1≤t/(30d)≤20]]>的范圍。
圖7(a)、(b)是在懸浮金屬熔液表面聚集的非金屬夾雜物的移動說明圖。圖7(a)是線圈中流動高頻電流、保持懸浮金屬熔液時的模式圖。在此時，在懸浮的金屬熔液4內(nèi)，形成在中央上升并沿表面流動的金屬熔液緩流液10。通過該金屬熔液流10聚集在金屬熔液表面的非金屬夾雜物9流向扇形體1側(cè)，移動到扇形體1側(cè)。如果切斷高頻電流，該金屬熔液流10也消失，如圖7(b)所示，移動到扇形體1側(cè)的非金屬夾雜物為了凝集而移動到中央部，直至形成島狀非金屬夾雜物占有部。在表3中從電流切斷后時間為10秒時的島狀非金屬夾雜物占有部面積(表3的a)為最大的理由被認為是，在從電流切斷后時間為10秒時，扇形體1側(cè)的非金屬夾雜物是向中央移動中，凝集不充分，分散存在于金屬熔液的表面。
實施例7從厚250mm的低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的連鑄鑄錠皮下30mm鄰接部位切取2塊金屬試料，一塊作為比較例用以往的具有單相高頻感應加熱線圈的裝置進行懸浮熔化，另一塊作為本發(fā)明例用具有3相交流感應加熱線圈的裝置進行懸浮熔化，熔化后經(jīng)過10秒后停止通電，將金屬試料冷卻到室溫。所用坩堝的最大直徑是30mm，供給電力一共是30KVA，高頻的頻率一共是100KHz。
觀察非金屬夾雜物向頂部的聚集度后，進行以下的評價。
冷卻到常溫的試料作為陽極固定在10％乙酰丙酮系電解液中，在電流密度5-50mA/cm2的條件下電解金屬表面，在任何場合，作為第一階段電解懸浮金屬熔液頂部側(cè)的金屬表面，然后作為第二階段電解金屬表面的全體。過濾電解中使用的溶液，將非金屬夾雜物分級并測定其重量。
第一階段的非金屬夾雜物量和第二階段的非金屬夾雜物量合計的非金屬夾雜物量，本發(fā)明例的場合與比較例的場合也是大致等量的。但第一階段的非金屬夾雜物量，本發(fā)明例的場合是上述合計的非金屬夾雜物量的約95％，與此相比，比較例的場合是合計的非金屬夾雜物量的約60％。即本發(fā)明例的場合，因為非金屬夾雜物聚集在懸浮金屬熔液的頂部側(cè)，所以在第一階段的電解中提取出大致全量的非金屬夾雜物。因而可以省略第二階段的，也能比以往更迅速且簡易地測定非金屬夾雜物量。另一方面，在比較例中因為非金屬夾雜物分散在全體表面，所以在第一階段的電解中提取的非金屬夾雜物是約60％，第二階段是不可缺少的。
即本發(fā)明的金屬純凈度的評價方法是下述的金屬純凈度評價方法；使用具有利用3相交流高頻電流的感應加熱線圈的本發(fā)明冷卻坩堝，在懸浮熔融的金屬熔液表面形成向上液流，使排出到金屬熔液表面的非金屬夾雜物聚集在金屬熔液頂部的表面，測定聚集在金屬熔液頂部表面的非金屬夾雜物，以該測定值評價金屬的純凈度。
另外，本發(fā)明人從爐料不同的3個低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的連鑄錠分別切取金屬試料，使用具有本發(fā)明的3相交流感應加熱線圈的裝置將上述試料分別懸浮熔化。在懸浮熔融狀態(tài)保持約10秒后，停止通電，用CCD照像機拍照冷卻中的金屬試料的頂部。此時，因為冷卻中的金屬輝度與非金屬夾雜物輝度不同，可以在任何場合都可得到在中央部位形成非金屬夾雜物的島狀占有區(qū)的圖像。通過對該圖像進行圖像處理，測定非金屬夾雜物的島狀占有區(qū)的面積。
將各個金屬試料冷卻到常溫，以與上述相同的方法電解金屬表面，測定非金屬夾雜物的重量。圖24是表示非金屬夾雜物的島狀占有區(qū)面積和以電解得到的非金屬夾雜物量的關系圖。如圖24表明的那樣，兩者之間有極密切的相關關系。在測定以電解法得到的非金屬夾雜物量的場合，必須進行金屬試料的冷卻、電解、過濾、秤量等，處理是煩瑣的，并且在處理上花費時間。而另一方面測定非金屬夾雜物的島狀占有區(qū)面積的場合，處理是極簡單的，并且能以極短的時間進行。因而在本發(fā)明中測定非金屬夾雜物的島狀占有區(qū)的面積，以該面積評價非金屬夾雜物的量而測定非金屬夾雜物的島狀占有面積的方法是精度高、簡易且迅速的，因此在以非金屬夾雜物作為鋼的制造上或使用上的指針而使用的場合是極適當?shù)摹?br> 實施例8從鑄造中的中間包內(nèi)的鋼水取出澆注試料，用連鑄 機鑄造低碳鋼，切取100g的長方形試料，用冷卻坩堝裝置，在大氣壓的Ar氣氛下進行熔化，熔化后保持5分鐘，排出夾雜物后進行凝固。
熒光X射線分析冷卻坩堝熔化試料。以一次X射線強度為1μA×50KV、照射時間為90秒進行測定。從Al、Si、Ca等的熒光X射線強度求出試料中的氧化鋁、二氧化硅、氧化鈣等的存在量指標。
將冷卻坩堝熔化試料以能繞中心軸旋轉(zhuǎn)那樣固定在試料旋轉(zhuǎn)裝置的試料保持臺之間，以轉(zhuǎn)速6轉(zhuǎn)/分邊旋轉(zhuǎn)，邊以上述條件進行熒光X射線分析，其結(jié)果示于表4中。在表4中，作為比較例的不使用試料旋轉(zhuǎn)裝置，改變試料的方向、逐個進行靜止狀態(tài)下的測定，其結(jié)果也同時示出。
表4


如在該比較例中看到的那樣，在非金屬夾雜物的分布上隨測定面不同有明顯的波動，如果評價試料的側(cè)面的整個面，則得不到正確的結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明的結(jié)果，與比較例的4個面測定值的平均值大體上一致。顯示能作為非金屬夾雜物的指標使用。另一方面，按照本發(fā)明每個試料的評價時間是3分鐘，能達到約為比較例速度的1/4。即使用本發(fā)明的試料旋轉(zhuǎn)裝置的斷續(xù)轉(zhuǎn)動方式進行比較例的4面測定，評價時間也能縮短40％。
工業(yè)實用性如以上所述，使用本發(fā)明的方法，既能保持良好的代表性和制品的相關性，又能迅速且廉價的分析評價金屬中的非金屬夾雜物。按照本發(fā)明的夾雜物的迅速評價，例如作為煉鋼作業(yè)的管理指標，作為將中間制品送向下道工序時的質(zhì)量保證，或者作為新工藝的開發(fā)引入時的評價指標是可以使用的。
權利要求
1.金屬純凈度評價裝置，其特征在于，它是由下述裝置構成，即由具有曲率的底面和具有向上部逐漸擴大的傾斜面的側(cè)壁面構成、且中間插有半徑方向的縫隙的水冷金屬坩堝和，產(chǎn)生從該水冷金屬坩堝的側(cè)壁面朝向中心方向的斥力、從而導通邊使金屬懸浮邊熔化的高頻電流的感應線圈和，是非氧化性氣氛的容納容器構成的金屬懸浮熔化裝置和，將非金屬夾雜物聚集于在該懸浮熔化裝置中熔化·凝固的金屬表面特定位置的金屬從該懸浮熔化裝置取出、移送到分析裝置的搬運裝置，以及用于分析聚集的該非金屬夾雜物的分析裝置。
2.權利要求1所述的金屬純凈度評價裝置，其特征在于，它是由下述裝置構成，即由以沿圓周方向分割的扇形體構成的上面敞開、下面封閉的水冷金屬坩堝和，圍繞該金屬坩堝而配置的、導通高頻電流的感應線圈和，由非氧化性氣氛容器構成的金屬懸浮熔化裝置和，將用該懸浮熔化裝置熔化·凝固的金屬從該水冷金屬坩堝中取出、而且移動、能固定在所定分析位置的搬運裝置和，分析在該金屬表面聚集的非金屬夾雜物的能量分散型熒光X射線裝置。
3.權利要求1所述的金屬純凈度評價裝置，其特征在于，它是由下述裝置構成，即由以沿圓周方向分割的扇形體構成的上面敞開、下面封閉的水冷金屬坩堝和，圍繞該金屬坩堝而配置的、導通高頻電流的感應線圈和，非氧化性氣氛容器構成的金屬懸浮熔化裝置和，將用該懸浮熔化裝置熔化·凝固的金屬從該水冷金屬坩堝中取出且搬運到所定的處理裝置中的金屬搬運裝置和，在用該處理裝置熔化·凝固的金屬表面上濃縮的非金屬夾雜物進行提取的酸溶解或電解裝置。
4.權利要求1所述的金屬純凈度評價裝置，其特征在于，它是由下述裝置構成，即由以沿圓周方分割的扇形體構成的上面敞開、下面封閉的水冷金屬坩堝和，圍繞該金屬坩堝而配置的、在其內(nèi)部導通邊使熔融金屬懸浮熔化、邊給予在該熔融金屬表面沿坩堝壁向上移動推力的高頻3相交流電流的感應線圈和，非氧化性容器構成的金屬懸浮熔化裝置和，分析在用該懸浮熔化裝置熔化·凝固的金屬表面上聚集的非金屬夾雜物的輝度差面積換算裝置。
5.權利要求1所述的金屬純凈度評價裝置，其特征在于，供給在線圈中流動電流的裝置是單相交流電流。
6.權利要求2-4中任一項所述的金屬純凈度評價裝置，其特征在于，坩堝底面的形狀具有用對稱面將以垂直軸作為對稱軸的旋轉(zhuǎn)體二分之一切開的底部形狀和保持與該對稱面相同或者上面擴大的類似水平斷面形狀的圓錐臺上部形狀。
7.權利要求2-4中任一項所述的金屬純凈度評價裝置，其特征在于，坩堝的底面是內(nèi)面直徑的90％以上的底面形成平面狀。
8.金屬純凈度評價方法，其特征在于，利用懸浮熔化裝置將金屬片懸浮熔化一定時間，使存在該金屬片內(nèi)的非金屬夾雜物排出到熔融體表面，通過使用能量分散型分光器的熒光X射線分析法直接分析凝固后是彎曲且是非平滑的金屬表面，計測構成非金屬夾雜物的元素量，鑒定非金屬夾雜物量。
9.權利要求8所述的金屬純凈度評價方法，其特征在于，利用懸浮熔化裝置將金屬片懸浮熔化一定時間，使存在于該金屬片內(nèi)的非金屬夾雜物排出到熔融體表面，將熔化時最上點和最下點連結(jié)起來的軸為中心間歇或連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，通過使用能量分散型分光器的熒光X射線分析金屬表面的分析方法，直接分析凝固后彎曲且是非平滑金屬表面，計測構成非金屬夾雜物的元素量，鑒定類別或起原不同的非金屬夾雜物量。
10.金屬純凈度評價方法，其特征在于，利用懸浮熔化裝置將金屬片懸浮熔化一定時間，使存在于該金屬內(nèi)的非金屬夾雜物排出到熔融體表面，將凝固后的金屬表面用酸溶液進行溶解或者在水溶液系溶液、非水溶液系溶液中進行電解，提取過濾非金屬夾雜物，秤量·分析過濾后的非金屬夾雜物，或者按粒度級別進行分離后秤量·分析過濾后的非金屬夾雜物。
11.權利要求10所述的金屬純凈度評價方法，其特征在于，使金屬內(nèi)的非金屬夾雜物聚集在懸浮金屬熔液表面的懸浮金屬熔液保持時間t(秒)是在下述(1)式的范圍內(nèi)，1≤t/(30d)≤20---(1)]]>其中d是坩堝的最大內(nèi)徑(mm)。
12.金屬純凈度評價方法，其特征在于，聚集在金屬熔液頂部表面的非金屬夾雜物的測定是，在使金屬試料懸浮熔化后切斷高頻電流，用CCD照像機拍攝冷卻中的金屬試料表面和非金屬夾雜物的輝度差，對該圖像進圖像處理后，測定非金屬夾雜物的島狀占有面積。
13.權利要求11所述的金屬純凈度評價方法，其特征在于，變化 (t懸浮金屬熔液的保持時間(秒)，d坩堝最大內(nèi)徑(mm))進行懸浮熔化處理，調(diào)查每一個 以最大頻度發(fā)生的非金屬夾雜物直徑L后，預先掌握 和L的關系，在進行其他金屬的純凈度評價時，將 選定在希望的值，對這些其他金屬進行懸浮熔化處理，根據(jù)該選定的 ，在這些其他金屬中以最大頻度發(fā)生的非金屬夾雜物直徑L推定為與預先掌握的關系相同，測定在這些其他金屬中直徑為L的非金屬夾雜物發(fā)生量N，以該N作為這些其他金屬的純凈度進行評價。
14.權利要求13所述的金屬純凈度評價方法，其特征在于，測定這些其他金屬中直徑為L以上的L1、L2……的非金屬夾雜物發(fā)生量N1、N2……，以該N1、N2……作為這些其他金屬的純凈度進行評價。
15.權利要求10所述的金屬純凈度評價方法，其特征在于，從被排出的非金屬夾雜物中最大直徑者之中選擇10個以上粒子，利用極值統(tǒng)計法推斷存在于切取該金屬片的金屬中的最大粒徑的非金屬夾雜物直徑。
全文摘要
本發(fā)明的特征是，利用在金屬制造過程中采取的試料評價造成制品缺陷的金屬中存在的非金屬夾雜物粒子數(shù)量和組成等時，為了能夠代表性良好、迅速且廉價地進行評價，用冷卻坩堝懸浮熔化裝置將金屬片懸浮熔化一定時間，使存在于該金屬片內(nèi)的非金屬夾雜物粒子排出到熔融體表面，使用能量分散型分光器的熒光X射線分析法直接分析凝固后彎曲且是非平滑的試料表面，并通過其他的化學或物理的測定，根據(jù)計測或者分析構成非金屬夾雜物粒子的元素量，鑒定非金屬夾雜物量。
文檔編號G01N33/20GK1150839SQ96190353
公開日1997年5月28日 申請日期1996年3月14日 優(yōu)先權日1995年3月14日
發(fā)明者梅澤一誠, 植森龍治, 藤健彥, 竹內(nèi)榮一, 鈴木節(jié)雄, 千葉光一, 近藤裕之, 小野昭, 淵上勝弘, 若生昌光 申請人:新日本制鐵株式會社