(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コネクタおよびノズルを有し、少なくとも一部が液体を受容するためのるつぼ（１）内に配置されたガス供給用の毛細管（２）を備え、該毛細管が、るつぼの壁部上に取りつけられて、その壁部中を貫通しており、前記コネクタ（４）が、るつぼ（１）の外側に配置され、るつぼの底部上ないし底部内に取りつけられ、るつぼ取付け台として構成されることを特徴とする液体の表面張力測定装置。
【請求項２】
毛細管が（２）がるつぼ（１）の底部中を貫通している請求項１記載の液体表面張力測定装置。
【請求項３】
毛細管（２）がノズル（７）で増加する内径を有する請求項１記載の液体表面張力測定装置。
【請求項４】
ノズル（７）がスリット形状で構成される請求項１記載の液体表面張力測定装置。
【請求項５】
ノズル（７）の外端における毛細管（２）の内径と外径の差が１ｍｍより大きくない請求項１記載の液体表面張力測定装置。
【請求項６】
前記差が０．５ｍｍ  より大きくない請求項５記載の表面張力測定装置。
【請求項７】
ノズルの外端における毛細管の熱伝導率および壁厚の積が１４００°Ｃ  にて５．５  ×１０−３Ｗ／Ｋ  より小さい請求項１記載の液体表面張力測定装置。
【請求項８】
ノズル（７）が毛細管（２）の側面に配置されている請求項３記載の液体表面張力測定装置。
【請求項９】
毛細管（２）が気密物質より成る請求項１〜８のいずれかに記載の液体表面張力測定装置。
【請求項１０】
気密物質が、アルミニウム酸化物、石英およびジルコニアより成る群から選択される請求項９記載の液体表面張力測定装置。
【請求項１１】
コネクタ（４）が、ガス管（９）のガス接続スリーブ（９）と、圧力センサ（１２）および流量計の少なくとも一つに気密態様で接続される請求項１記載の液体表面張力測定装置とガス管とを備える測定機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、コネクタおよびノズルを備えるガス供給用毛細管により液体の表面張力を測定するための装置であって、毛細管が、少なくとも一部液体を受容するためのるつぼ内に配置され、コネクタがるつぼの外側に配置された表面張力測定装置に関する。本発明はまた、この形式の装置を有する測定器に関する。
【０００２】
【従来技術】
この形式の装置はＤＥ  ２２  ３１  ５９８／Ａ１  から周知であるが、この特許においては、液体とガス管の界面にて表面張力を測定するための装置および方法が開示されている。装置は、コネクタとノズルを有するガス供給用毛細管を使用する。毛細管は上方から液体を受容する容器中に延びる。溶融金属内における測定の場合、毛細管は、測定されるべき液体から生ずる熱に曝される。毛細管はるつぼの外側に取り付けられる。このような配置はかなり高価である。
【０００３】
この形式の他の装置は、ＤＥ  ２９  １５  ９５６／Ａ１  から周知であるが、この特許においては、導電性液体の表面張力を測定するための装置が記述されている。この装置は、接続スリーブとノズルを具備する毛細管を有する。ノズルを担持する毛細管の端部はＵ字状である。毛細管は、ノズルが上向き方向を指すように上方から浸漬される。装置の動作中、気泡がノズルを出て、測定管の内側を垂直に上昇する。測定管上には、電圧を印加されかつ計時装置に接続された二つの電極が配置されている。気泡が電極間を通過するとき、電極間を流れる電流に中断が生ずる。気泡が電気回路に生ずる中断の周波数（ないし頻度）が測定される。毛細管には、一定圧にてガス流が供給されるから、気泡の周波数を利用することにより液体の表面張力を決定できる。
【０００４】
この形式の装置は比較的複雑である。何故ならば、液体に上方から浸漬される毛細管は、電極を有する測定管と同様に、付加的に取り付けられねばならないからである。それとともに、これらの部材は、同時に、例えば溶融金属からの上昇する熱から保護されねばならない。液体内に電流を発生させる必要性でさえ、動作および安全性のために比較的高い出費を要する。気泡が電極を互いに完全に絶縁しない場合、漏洩電流が起こり得る可能性も、問題視されねばならない。何故ならば、測定結果がこのような漏洩電流の結果として破壊されることがあるからである。
【０００５】
液体内の表面張力を測定するための装置が、ＤＥ  ４２  ２８  ９４２／Ｃ１  から周知であるが、この特許においては、毛細管が部分的に液体を受容するためのるつぼ内に配置されており、そしてこの毛細管はるつぼの壁部を貫通している。液体中に導かれるガスは、ガス分配ユニットを経て毛細管から流出する。ガスは、多かれ少なかれ不規則的に、ガス分配ユニットの全表面を越えて流出し、一定に変化する条件下で液体の表面に達し、ここで、サンプリング装置が気泡の一部を（原則として最大のもの）捕捉し、それを測定インパルスとして分析機構に導く。出口開口の相違、液体中における気泡の経路の相違、分配ユニットにより放射される気泡のサイズの相違、ならびに液体上に配置されるサンプリング装置の受入れの不正確さに起因して、上述の装置による表面張力の正確な測定は不可能である。何故ならば、この種の装置は、一般的に、異なる場所にてかつ異なるサイズで液体から逃避する気泡を完全かつ正しく捕捉できないからである。
【０００６】
表面張力測定のための他の装置が、ＥＰ  ０  １４９  ５００に記述されている。また、液体銑鉄内における気泡の周波数の測定技術が、Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ  Ｂ，  Ｖｏｌｕｍｅ  ９Ｂ，  ｐａｇｅｓ  １０１  〜１１０，  １９７８  年３月，  のＧ．Ａ．  ＩｒｏｎｓおよびＲ．Ｉ．Ｃ．  Ｇｕｔｈｒｉｅ等の「Ｂｕｂｂｌｅ  Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ａｔ  Ｎｏｚｚｌｅｓ  ｉｎ  Ｐｉｇ  Ｉｒｏｎ」  なる論文に記述されている。この文献には、気泡をマイクロフォンで検出する装置が示されている。
【０００７】
この形式の装置は、表面張力を利用することにより、例えば、溶融金属の特性を決定するのに利用される。溶融鋳鉄の表面張力の知識は、他にもあるが、鋳鉄に含まれる炭素のグラファイトモルフォロジーに関する結論を引き出すことを可能にする。何故ならば、種々の相間における表面張力および界面エネルギは、合金のミクロ構造に影響するからである。この趣旨は、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｉｒｏｎ  ａｎｄ  Ｓｔｅｅｌ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，  ｐａｇｅ    １３４〜１４０，  １９７３  年２月，  のＥ．  ＳｅｌｅｃｕｋおよびＤ．Ｈ．  Ｋｉｒｋｗｏｏｄ  の「Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｎｅｒｇｉｅｓ  ｏｆ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃａｓｔ  Ｉｒｏｎｓ  Ｃｏｎｔａｎｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ  ａｎｄ  Ｃｅｒｉｕｍ」なる論文に記述されている。セリウムおよびマグネシウムの鋳鉄添加は、回転楕円面グラファイトのの形成を促進する。すなわち、セリウムまたはマグネシウム含分の増加で、グラファイト結晶の形式は、開始時におけるラメラ層型から鋳造の実施において探究される回転楕円形状形式（回転楕円形状グラファイト）に変わる。この形式のグラファイトモルフォロジーは、鋳鉄に最適強度特性をもたらすからである。
【０００８】
【発明の課題】
上述の技術の現状にかんがみて、本発明の目的は、製造および取扱い容易であり、種々の液体内において信頼性をもって使用できる装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の形式の装置の場合、上述の目的は、毛細管を少なくとも一部液体を受容し、保持するるつぼ内に配置し、るつぼの壁部に取り付け、コネクタがるつぼの内部の外側に配置されるようにすることによって達成される。この形式の装置は、製造が比較的簡単であり、るつぼを充たす液体内における毛細管の堅固にして安心な取付けを保証し、しかも溶融金属のような非常に熱いことがある液体から生ずる熱が取付け台や測定デバイスを破壊する危険を伴わない。何故ならば、液体の上方に繊細な部品をおく必要がないからである。この形式の装置は、種々の液体の表面張力の測定、さらには、他にもあるが、グラファイトモルフォロジーを決定するための液体鋳鉄における測定、銑鉄のイオウ含有量の決定、あるいはアルミニウム−珪素合金の改質処理の評価にさえ適当である。
【００１０】
毛細管は、堅固にして安全な取付を保証するため、るつぼの壁部、特にるつぼの底壁中を貫通させるのが有利である。毛細管が底壁に配置されると、毛細管は、気泡が制限されずにかつその浮力に従って毛細管を出ることができるように垂直に整列できる。さらに、コネクタがるつぼの底部上または底部内に取り付けられ、るつぼ取付け台として構成されると有利である。何故ならば、そのときるつぼは、コネクタとともにガス供給管のバス接続スリーブ上に直接配置でき、追加の手段により固定される必要がないからである。
【００１１】
気泡の一様な形成のためには、毛細管の内径がノズルにて、特に円形態様で増加すること、あるいはノズルがスリット形状で拡張されるのが有利である。これと関連して、ノズルの外端における毛細管の内径と外径の差は、１ｍｍより大きくなく、特に０．５ｍｍ  大きくないのが有利であり、また熱伝導率（Ｗ／Ｋ・ｍ）  とノズルの外端における毛細管の壁厚の積が１４００°Ｃにて５．５  ×１０−３Ｗ／Ｋ（Ｗａｔｔ／Ｋｅｌｖｉｎ）より小さいのが有利である。この形式の配置は、つねに実質的に一様な直径を示すバブルの規則的形成を保証する。また。ノズルは、例えば毛細管に（のこ引きまたはフライス盤加工により）作られた側方くり孔またはスリットにより、毛細管の側面上に配することもできる。
【００１２】
特に侵食性または非常に熱い媒体における測定に対しては、毛細管はアルミニウム酸化物、石英またはジルコニヤのような気密性物質より成るのが有利である。何故ならば、これらの物質は、高温度安定性を示し、鋳鉄溶融物のような多くの媒体に対して耐化学性であるからである。測定の精度および再現性のためには、コネクタはガス密態様でるつぼに結合されているのが有利である。
【００１３】
測定機構の場合、上述の目的は、コネクタを、ガス管のガス接続スリーブおよび圧力センサおよび／または流量計に機密態様で接続することにより達成される。現れる気泡の周波数をこれらのデバイスを使用して測定できる。
【００１４】
【実施例の説明】
上述の概要および本発明の好ましい実施例についての以下の記述は、本発明の特徴および利点を示す図面を参照して読むとき一層よく理解されよう。図面には、例示の目的で好ましい実施例が示してある。しかしながら、本発明は、図示の配置および手段そのものに限定されるものでないことを理解されたい。
【００１５】
図１に示されるるつぼは、鋳鉄溶融物の表面張力の測定に使用される。しかしながら、例えばこのるつぼは、例えばアルミニウム−珪素合金または銑鉄の測定にも適当である。るつぼは、耐熱性物質、この例の場合樹脂結合砂またはセラミックファイバより成る。るつぼ１の底部は、るつぼの必要な安定性を保証するため、側壁より強く（厚く）作られている。毛細管２は、るつぼの底部の厚みを完全に貫通し、溶融物がるつぼの底部中を通って流出するのを防ぐように耐火性セメント３により底部に固定されている。
【００１６】
毛細管２はコネクタ（接続部材）４に接合され、そして該コネクタ上にガス接続スリーブ５が配置されている。コネクタ４とガス接続スリーブ５は、ガスを毛細管２に供給するのに使用される。測定の再現性に必要な気密性は、コネクタ４とガス接続スリーブ５間に配置された二つのＯ輪により保証されている。るつぼ１は、ガス接続スリーブによりガス供給管および測定装置に接続されている。コネクタ４およびガス接続スリーブ５は、金属より作られ、毛細管２は、例えばアルミニウム酸化物、ジルコニアまたは石英のような耐火性物質より作られる。毛細管は、約０．７  〜１．５ｍｍ  の内径を有し、溶融物を収容するるつぼ１の内部中空領域に約５〜２５ｍｍの高さまで突出している。
【００１７】
るつぼ１の中空領域は、約１００  ｍｌの容積の溶融物を保持するが、これよりも小さい容積は、溶融物がるつぼ１に注入された後、るつぼの壁部で始まる溶融物の冷却が迅速に進行し過ぎて、溶融物の表面張力の正確な測定を許容しないことが起こり得る。何故ならば、小さ過ぎる容積のものは、相応に低い熱容量を有し、それゆえに相応に迅速に冷却し切ってしまうからである。この冷却作用の測定への影響を最小にするために、毛細管２を、ほぼ回転的に対称のるつぼ１の軸線上に配置し、ノズル７を、るつぼ１の中空領域のほぼ中央に配置する。
【００１８】
図２に示されるるつぼ１は同様に設計されている。上述の配置との必須の差は、毛細管２がるつぼ１の側壁に配置されることである。
【００１９】
図３は、冒頭に記述される装置に使用できるような毛細管２に対する種々のノズル形状を示している。これらのノズル形状が共通に有するものは、ノズルの外端における毛細管の外径および内径管の差が、多くとも０．５ｍｍ  になるように、ノズルが装置内において寸法設定されていることであり、それにより、一様寸法の気泡の形成が保証される。この点に関して、毛細管の全長にわたり毛細管の内径を一定に維持し、ノズルの外端における外径を図３ａ、図３ｇおよび図３ｈに示されるような適当な態様に寸法設定することが考えられる。しかしながら、ノズルにおける毛細管の内径を適当な態様で拡張することも考えられる。この点に関連し、図３ｂおよび図３ｄに示されるように、拡張は直径の円筒状の拡大の形式で、あるいは図３ｃおよび図３ｆに示されるように、ノズルの外端の方向における円錐形状の拡大として実行できる。後者の二つの形状の組合せは、図３ｅに示されている。この実施例にあっては、毛細管の内径は、円筒状態様で拡張され、そしてノズルの外端においてのみ円錐状での拡張が結合される。
【００２０】
表面張力の決定のための測定機構は、図４に略示されている。鋳鉄溶融物８を収容するるつぼ１はガス管９に接続されており、測定ガスは、このガス管９を介して鋳鉄溶融物８に供給される。必要なガス流は、ガス管９内のガス流量調節デバイス１０により制御される。アルゴンまたは窒素のような溶融物に関して不活性なガスが、測定ガスとして使用されるが、この測定ガスは、約２〜１５ｍｌ／  分の流量で鋳鉄溶融物８に吹き込まれる。気泡１１は、ノズル７にて鋳鉄溶融物に形成される。これと関連して、ノズル７からの気泡１１の解放に続きガス管９内の圧力が急激に減じ、そして新しい気泡１１の形成中、この気泡が解放されまで増加する。
【００２１】
図５に時間の関数として示されるこの圧力変化は、圧力センサ１２により検出され、記録される。気泡１１の形成によりもたらされるこれらの圧力変動の周波数は、鋳鉄溶融物８の表面張力の計算に、あるいは、表面張力と直接的関係にある物理量の計算に使用され、それにより冒頭に記述したように、鋳鉄溶融物の８のグラファイトモルフォロジーを決定できる。この点に関連して、圧力−時間関数を記録するために利用可能な測定時間は、るつぼ１における鋳鉄の凝固の結果として制限される。利用可能な測定時間は、他にもあるが、鋳鉄溶融物８のるつぼ１への注入温度と鋳鉄の液体温度との差により決定される。温度を監視するために、例えばサーモカップルのような温度センサをるつぼ１の中空領域に配置してよい。
【００２２】
図６および図７は、図１および２に類似の他の好ましい実施例を示しているが、この実施例にあっては、毛細管２は、るつぼの底壁および側壁をそれぞれ貫通している。しかしながら、図１および図２においては、毛細管開口またはノズルが管の端部に形成されるが（例えば、図３の形式の一つ）、それと異なり、図６および図７のノズルは、好ましくはるつぼの内側でかつるつぼ底壁または側壁から遠隔の端部近傍に、毛細管の側壁内の周囲スリットないしスリット状開口の形式で設けられる。このスリットは、好ましくは、管の長手方向軸線に関して垂直に、放射方向または近放射方向に管をのこ引きまたはフライス盤加工することによって適当に形成してよい。側壁取付けの場合、スリットは、好ましくは、自由な解放および均一な気泡形成を保証するように好ましくは上方に面するのがよい。
【００２３】
当技術に精通したものであれば、本発明の技術思想から逸脱することなく種々の変更をなし得ることが理解されよう。それゆえ、本発明は、ここに開示される特定の実施例に限定されるものだけでなく、特許請求の範囲に記載されるように、本発明の技術思想内にある変更を保護することが意図されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】毛細管をるつぼの底部に配置した、本発明に従う装置の長手方向概略断面図である。
【図２】毛細管をるつぼの側壁に配置した本発明の装置の長手方向概略断面図である。
【図３】図３は毛細管に対する数形式のノズルの長手方向断面図で、図３ａ〜ｈはそれぞれその一例を示す。
【図４】本発明の装置を合体した測定装置の一部断面の概略図である。
【図５】気泡周波数の決定のための圧力測定曲線である。
【図６】図１の装置に類似の装置の長手方向概略断面図で、ノズルが毛細管の側面上にスリット状開口として形成されたものである。
【図７】図２の装置に類似の装置の長手方向概略断面図で、ノズルが毛細管の側面上に開口するスリット状開口として形成されたものである。
【符号の説明】
１  るつぼ
２  毛細管
３  耐火性セメント
４  コネクタ（接続部材）
５  ガス接続スリーブ
６  Ｏ輪
７  ノズル
８  鋳鉄溶融物
９  ガス管
１０  流量調節装置
１１  気泡
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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