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Einrichtung zur analytischen Bestimmung von Gasen in Metallen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur analytischen Bestimmung von Gasen in Metallen, mit welcher eine Metallprobe geschmolzen und die aus der Probe freiwerdenden Gase zur Gasanalyse weitergeführt werden können.
Es ist bekannt, zur analytischen Bestimmung von Gasen in Metallen eine Metallprobe in den Tiegel eines Vakuumofens einzuwerfen und durch Erhitzung des Tiegels die Metallprobe zu schmelzen und durch Steigerung der Temperatur die in der Metallprobe enthaltenen Gase zu extrahieren und einem Gasanalysengerät zuzuführen. Bei der Durchführung von Heissextraktionen von Proben im Kohletiegel, sei es im Vakuum oder im Inertgasstrom, zeigten sich bei den bisher verwendeten Geräten gewisse Nachteile. Soistesz. B. nachdem Einwurf einer Mehrzahl von Proben schwierig, den Leerwert der ganzen Anlage auf dem Ausgangspunkt zu halten.
Die Erfahrung zeigt, dass beim bisherigen Tiegelverfahren der Leerwert immer schlechter wird, je mehr Proben eingeworfen wurden, weil die zuletzt eingeworfene Probe ihren Gasgehalt auf ein verhältnismässig grosses Volumen der schon vorhandenen Schmelze Überträgt. Ein weiterer Nachteil der bisher bekanntgewordenen Einrichtungen besteht in der Erfassung der Stickstoffabgabe, weil aus der geschmolzenen Probe ein mehr oder weniger grosser Anteil des Stickstoffs entweicht, welcher sich der Analyse entzieht.
Die Erfindung bezweckt, die oben erwähnten Nachteile zu vermeiden. Dies wird dadurch erreicht, dass ein heizbarer, rohrartiger Körper als Schmelzraum ausgebildet ist und übereinander angeordnete Einsätze mit gegeneinander versetzten Durchlassöffnungen aufweist.
Der Vorteil der Erfindung liegt vor allem in der rascheren und vollkommeneren Entgasung über dünne Schmelzschichten und grosse Oberflächen gegenüber der Entgasung in einem Tiegel mit verhältnismässig geringer Oberfläche. Die rasche und vollkommene Entgasung bewirkt eine sehr schnelle und gründliche Kohlenstoffaufnahme, so dass eine gute quantitative Umwandlung der Metalloxyde in Kohlenmonoxyd erfolgt. Besonders hervorzuheben ist die gute Stickstoffabgabe in einem Ausmass, das bei einer Entgasung in einem Tiegel nicht erreichbar ist. Da der Stickstoff hauptsächlich durch Diffusion abgegeben wird, bewirkt die grosse Oberfläche der geschmolzenen Metallprobe eine rasche quantitative Diffusion des Stickstoffes aus dem flüssigen Metall heraus.
Die Entgasung erfolgt während dem kaskadenartigen Heruntertropfen der Metallprobe rasch und vollkommener als bisher, so dass auch nach der Einschleusung vieler Proben noch niedrigere Leerwerte der ganzen Apparatur erreicht werden.
Beim Entgasen von Metallproben in einem Tiegel nach dem bisherigen Verfahren wird der Leerwert nach der Eingabe einer Mehrzahl von Proben immer schlechter, da die zuletzt eingegebenen Proben ihren Gasgehalt auf das verhältnismässig grosse Volumen der schon vorhandenen Schmelze übertragen. Die Messwerte der analytischen Bestimmung von Gasen sind bei Verwendung der vorliegenden Einrichtung genauer und besser reproduzierbar,-weil jede frisch eingegebene Probe den gleichen Entgasungsbedingungen ausgesetzt ist wie die erste Probe. Die Schmelze der vorher entgasten Proben kann den Entgasungsprozess neu eingegebener Proben nicht mehr stören.
Die Zeichnungen zeigen drei Ausführungsbeispiele der Erfindung, u. zw. Fig. 1 einen Querschnitt durch die Einrichtung mit schematischer Darstellung der übrigen Apparate einer ersten Ausführungsform,
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Fig. 2 einen Querschnitt durch die Einrichtung mit schematischer Darstellung der Ubrigen Apparate einer zweiten Ausführungsform, Fig. 3 einen Schnitt durch den Kürper einer dritten Ausführungsform.
In Fig. 1 ist mit l ein Graphitwiderstandsofen mit Einsätzen 2 und einem Auslauf 3 dargestellt. Das rohrförmige Widerstandselement 5 zeigt im Beispiel von Fig. 1 stufenförmige Querschnittsveränderungen, um verschiedene Temperaturbereiche in verschiedenen Zonen des Widerstandsofens zu er- halten. Mit 6 ist ein Mantel bezeichnet, der die Isoliermasse 7 vor dem Herausfallen schützt.
8 ist ein Wassermantel mit Anschlüssen 26 und 27 für den Zu- und Wegfluss von Kuhlwasser. Am Fuss des Wassermantels 8 ist ein Boden 9 wegnehmbar angeordnet. Der Boden 9 wird durch den Bugel 10 und die Schraube 11 an den Wassermantel 8 angepresst und durch den Dichtungsring 12 gegen die äussere Atmosphäre abgedichtet. 13 ist eine Auffangschale, in welcher die geschmolzenen und entgasten Proben nach der Heissextraktion aufgefangen werden. In den Wassermantel 8 ist ein Zwischenboden 14 eingesetzt, welcher den unteren Pol bzw. Stromzuführung fUr das Widerstandselement 5 bildet. Der Deckel 20 des Widerstandsofens 1 ist ebenfalls wassergekUhlt und durch Schrauben 17 sowie IsolierhUlsen 16 und den Isolierring 15 auf den Wassermantel 8 aufgesetzt. Der Deckel 20 bildet obere Stromzuführungen zum Widerstandselement 5 und besitzt eine Anschlussschraube 18.
Im Wassermantel 8 ist eine zweite Anschlussschraube 19 für die Stromzufuhr des Heizstromes angeordnet. Das Heizen erfolgt in bekannter Weise mit Wechselstrom niederer Spannung und hoher Stromstärke.
Das Einbringen von Metallproben 31 erfolgt durch die Schleuse 33, abgedichtet durch den Dichtungsring 32. Mit 34 ist ein Abschlusshahn bezeichnet, welcher zu einem Absaugstutzen zum Evakuieren der Schleuse 33 dient. In schematischer Weise ist eine Schraube 30 dargestellt, mit welcher man die Abdichtung 53 gegen die Schleuse 33 bewegen kann, um den Widerstandsofen während der Einführung neuer Proben 31 unter Vakuum zu halten. Die Schleuse 33 und die Rohrleitung 36 sind am Widerstandsofen durch das Anschlussstück 28 mit Abdichtung 29 angeschlossen.
Die Diffusionspumpe 38 saugt die im Widerstandsofen freiwerdenden Gase durch die Rohrleitung 36 ab und führt dieselben durch die Leitung 40 zum Einlassventil 54 der Sammelpumpe 41.
Mit 26'und 27'sind bei der Diffusionspumpe 38 die Kühlwasseranschlüsse angedeutet. Mit 39 ist die Heizung der Diffusionspumpe 38 bezeichnet. Aus dem Kopf 56 der Sammelpumpe 41 fuhren die Leitungen 42 und 43 Trägergas und die zu messende Gasmenge aus dem Widerstandsofen zum Gaschromatograph 44 und wieder zurück. Ein Schreibgerät 46 zeichnet die vom Gaschromatograph 44 ermittelten Werte, übertragen durch die Leitung 45, auf ein dauernd ablaufendes Band in bekannter Weise auf.
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standsofens 1 einzuleiten.
Die erste Ausführungsform gemäss Fig. 1 zeigt als Besonderheit noch einen Schmelzeinsatz 63, um eingeschleuste Proben 60 im Hohlraum 59 aufzufangen und zu schmelzen. Das abschmelzende Metall gelangt durch die Öffnung 65 nach unten in die Einsätze 2. Der Schmelzeinsatz 63 weist Bohrungen 64 auf, um eine Verbindung zwischen dem unteren und dem oberen Teil des Widerstandsofens auch während des Schmelzvorganges zu gewährleisten. Die tropfenweise herabfallenden geschmolzenen Teile 61 der Probe gelangen aus dem untersten Einsatz 2 in den Auslauf 3 durch letzteren hindurch in die Schale 13. Die Gesamtheit aller Probenreste bildet in der Schale 13 einen Klumpen 67, welcher nach Entfernung des Bodens 9 aus dem Ofen weggeführt werden kann.
Im zweiten Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 sind die Einsätze 2 in ein Heizrohr 66 eingesetzt.
Das Heizrohr 66 kann durch die Spule 23 induktiv erhitzt werden. Die Spule 23 besteht aus einem Kupferrohr, durch welches KUhlwasser geleitet werden kann. Mit 24 und 25 sind der Zufluss und der Wegfluss des Kuhlwassers für die Spule 23 angedeutet. Der Mantel 22 muss in diesem Falle aus einem nichtmagnetischen Material bestehen. Der Bodenteil 21 und der Deckel 20 des Heissextrak- tionsofens sind ebenfalls wassergekühlt. Zu- und Wegfluss des Kühlwassers für die Teile 20 und 21 sind mit 26 und 27 bezeichnet. Der unterste Einsatz ist mit 4 bezeichnet und bildet einen Tiegel, in welchem die herabfallenden Tropfen 61 der Proben 60 in einem Sumpf 62 gesammelt werden.
37 ist ein Dichtungsring zwischen dem Deckel 20 und dem Mantel 22. Alle übrigen Teile und Apparate von Fig. 2 weisen dieselben Bezugszeichen auf wie die entsprechenden Teile und Apparate von Fig. l.
In Fig. 3 ist eine dritte Ausführungsform eines Heissextraktionsofens dargestellt. Ein Graphitkörper 58
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ist so ausgebildet, dass er mehrere Einsätze 57 aufnehmen kann. Der Graphitkörper 58 ist auf seiner Unterseite geschlossen und kann infolgedessen die geschmolzenen Proben in einem Sumpf 68 auffangen. Im obersten Einsatz 57 wird eine Probe 60 eingesetzt, welche durch die versetzt gegeneinander angeordneten Öffnungen 69 kaskadenartig in Tropfen 61 herunterfällt.
Die Wirkungsweise der in den Fig. 1 - 3 dargestellten drei Ausfuhrungsformen ist folgende :
Im Gegensatz zu bisher verwendeten Heissextraktionsofen, in denen die Metallproben im untersten Teil eines Tiegels geschmolzen und in diesem Tiegel auch entgast werden, wird bei dem Heissextraktionsofen gemäss der Erfindung die Probe im obersten Teil eines geheizten rohrförmigen Körpers aufgefangen und geschmolzen. Die Proben 60 gelangen nun in Form von Tropfen 61 in die Einsätze 2 mit gegeneinander versetzten Durchlassöffnungen 69. Das Herabfliessen der Tropfen 61 erfolgt kaskaden-
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Oberfläche bieten und dadurch eine rasche Abgabe der im Metall enthaltenen Gase bewirken.
Wird mit einem Spülgas gearbeitet, wie dies in den Ausfuhrungsformen von Fig. 1 und 2 vorgesehen ist, so gelangen die aus den Metallproben austretenden Gase zusammen mit dem SpUlgas durch die Diffusionspumpe 38 in die Sammelpumpe 41. Aus der Sammelpumpe 41 werden die extrahierten Gase in bekannter Weise dem Gaschromatograph 44 zugefuhrt. Das Messergebnis der Analyse durch den Gaschromatograph 44 kann ebenfalls in bekannter Weise durch einen Schreiber 46 schriftlich aufgezeichnet werden.
Der ganze Vorgang der analytischen Bestimmung von der Diffusionspumpe 38 bis zum Schreiber 46 ist bereits fruher beschrieben und angewendet worden. Die Wirkungsweise der vorliegenden Einrichtung unterscheidet sich in der Art und Weise der Erhitzung und der Gasentnahme aus der Metallprobe.
Der Vorteil der Erfindung liegt vor allem in der rascheren und vollkommeneren Entgasung über dünne Schmelzschichten und grosse Oberflächen gegenüber der Entgasung in einem Tiegel mit verhältnismässig geringer Oberfläche. Die rasche und vollkommene Entgasung bewirkt eine sehr schnelle und grundliche Kohlenstoffaufnahme, so dass eine gute quantitative Umwandlung der Metalloxyde in Kohlenmonoxyd erfolgt. Besonders hervorzuheben ist die gute Stickstoffabgabe in einem Ausmass, das bei einer Entgasung in einem Tiegel nicht erreichbar ist. Da der Stickstoff hauptsächlich durch Diffusion abgegeben wird, bewirkt die grosse Oberfläche der geschmolzenen Metallprobe eine rasche quantitative Diffusion des Stickstoffes aus dem flüssigen Metall heraus.
Die Entgasung erfolgt während dem kaskadenartigen Heruntertropfen der Metallprobe rasch und vollkommener als bisher, so dass auch nach der Einschleusung vieler Proben noch niedrigere Leerwerte der ganzen Apparatur erreicht werden. Beim Entgasen von Metallproben in einem Tiegel nach dem bisherigen Verfahren wird der Leerwert nach der Eingabe einer Mehrzahl von Proben immer schlechter, da die zuletzt eingegebenen Proben ihren Gasgehalt auf das verhältnismässig grosse Volumen der schon vorhandenen Schmelze übertragen. Die Messwerte der analytischen Bestimmung von Gasen sind bei Verwendung der vorliegenden Einrichtung genauer und besser reproduzierbar, weil jede frisch eingegebene Probe den gleichen Entgasungsbedingungen ausgesetzt ist wie die erste Probe.
Die Schmelze der vorher entgasten Proben kann den Entgasungsprozess neu eingegebener Proben nicht mehr stören.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur analytischen Bestimmung von Gasen in Metallen, mit welcher eine Metallprobe geschmolzen und die aus der Probe freiwerdenden Gase zur Gasanalyse weitergeführt werden können, dadurch gekennzeichnet, dassein heizbarer, rohrartiger Körper (5,66, 58) als Schmelzraum ausgebildet ist und übereinander angeordnete Einsätze (57) mit gegeneinander versetzten Durchlassöffnungen (69) aufweist.