DE102004037623A1

DE102004037623A1 - Vorrichtung und Verfahren zur spektroskopischen Bestimmung von Kohlenstoff

Info

Publication number: DE102004037623A1
Application number: DE102004037623A
Authority: DE
Inventors: Heinz-Gerd Dr. Joosten
Original assignee: Spectro Analytical Instruments GmbH and Co KG
Current assignee: Spectro Analytical Instruments GmbH and Co KG
Priority date: 2004-08-02
Filing date: 2004-08-02
Publication date: 2006-03-16
Also published as: US7227636B2; US20060023210A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse des Elementes Kohlenstoff in metallischen Werkstoffen. DOLLAR A Dem Element Kohlenstoff kommt in Stählen eine herausragende Rolle für deren physikalische Eigenschaften zu. Stähle unterschiedlicher Zusammensetzung sind äußerlich nicht zu unterscheiden, Materialverwechslungen führen deshalb zu großen wirtschaftlichen Schäden, Multielement-Bogenspektrometer werden zur Verwechslungsprüfung eingesetzt. Die Bestimmung von Kohlenstoff ist damit aber nur bei sehr großen Unterschieden möglich, da das Kohlenstoffdioxid der Luft zu einem hohen Untergrundsignal führt. C-Analytik muss deshalb mit schweren und teuren Spektrometern durchgeführt werden, die mit Funken in Argonatmosphäre arbeiten. DOLLAR A Leitet man Umgebungsluft mithilfe einer Membranpumpe (1) über eine Kammer, die mit dem Hydroxid eines Alkalimetalls gefüllt ist (2), in die Messkammer (3), wird das Kohlenstoffdioxid der Luft fast vollständig entzogen. Das CO¶2¶ bedingte Untergrundsignal entfällt. Es sind dann mit dem Bogenspektrometer auch im C nah benachbarte Stahlsorten zu unterscheiden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Gattungsgemäße Spektrometer werden beispielsweise zur Identifizierung von Stählen eingesetzt. Stähle unterschiedlicher Zusammensetzung sind äußerlich nicht zu unterscheiden. Deshalb kann es überall in der Kette zwischen Produktion und Verarbeitung zu Materialverwechslung kommen. Solche Verwechslungen haben in der Vergangenheit zu großen wirtschaftlichen Schäden geführt. Die stahlerzeugende und die weiterverarbeitende Industrie muss deshalb Vorkehrungen treffen, um Materialverwechslungen vorzubeugen. Mit Hilfe von Verwechslungsprüfgeräten wird bei Warenausgang beim Stahlerzeuger sowie beim Waren eingang vor der Verarbeitung überprüft, ob die erwartete Stahlqualität vorliegt.
Zur Verwechslungsprüfung kommen folgende Gerätetypen zum Einsatz:

1. Optische Emissionsspektrometer mit elektrischer Funkenentladung unter Argonatmosphäre (Funken-OES)
2. Optische Emissionsspektrometer mit elektrischer Bogenentladung unter Luft (Bogen-OES)
3. Energiedispersive Röntgenfluoreszenzspektrometer (XRF)

Das Messprinzip der Funken-OES und der Bogen-OES ist z.B. bei Kipsch (Dieter Kipsch: Lichtemissionsspektrometrie, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1974) und bei Thomsen (Volker B.E. Thomsen: Modern Spectrochemical Analysis of Metals), ASM International, 1996). Über energiedispersive Röntgenfluoreszenzspektrometer informiert Otto (Matthias Otto, Analytische Chemie, Wiley-VCH, Weinheim, New York, 2000).
Bei allen drei Gerätetypen wird eine Prüfsonde auf das zu bestimmende Werkstück aufgesetzt, es ist also eine Messung ohne Abtrennung einer Probe möglich.
Die Funken-OES Geräte sind relativ groß (Masse ca. 25 kg) und erfordern zusätzlich einen ebenso schweren Druckzylinder, in dem das Argon für die Entladungsatmosphäre vorgehalten wird. Eine Einzelmessung dauert meist länger als 10 s. Vor der Messung muss auf dem zu prüfenden Werkstoff eine plane Fläche geschliffen werden.
XRF-Geräte sind klein und leicht (Masse kleiner 2 kg). Eine Einzelmessung dauert etwa 5 s. Die Anforderungen an die Probenvorbereitung sind gering. Anschleifen ist meist überflüssig.
Allerdings lassen sich mit der Röntgenfluoreszenz nur Elemente in Gehalten über 0,5% sicher messen. Die leichten Elemente C, P, S und Mg lassen sich in Eisenbasis mit solchen Systemen nicht bestimmen.
Bogen-OES Geräte sind als kleine und leichte Systeme verfügbar. Das zu messende Werkstück kann oft ohne Schliff gemessen werden. Einzelmesszeiten von 3 s sind üblich.
Die meisten relevanten Elemente können mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden.
Viele chemische Elemente können durch Bogenspektrometer nachgewiesen und auch quantitativ bestimmt werden.
Die Bestimmung von Kohlenstoff ist aber nicht mit der erforderlichen Genauigkeit möglich, da das Kohlenstoffdioxid der Luft zu einem hohen Untergrundsignal führt. Der CO₂-Gehalt der Umgebungsluft (üblicherweise 360 ppm) erzeugt auf der Kohlenstofflinie 193,0 nm ein Kohlenstoffsignal, das dem eines Gehaltes von ca. 0,25 % C in Stählen entspricht.
Besonders das Element Kohlenstoff übt aber einen großen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe aus.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur verbesserten C-Bestimmung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weil ein Bogen-OES-System um eine Vorrichtung erweitert wird, die bewirkt, dass der elektrische Lichtbogen in einer von Kohlenstoffdioxid befreiten Atmosphäre brennt, können leichte, hochmobile und preiswerte Verwechslungsprüfgeräte verfügbar gemacht werden, die eine Prüfung von Stahlsorten ermöglichen, die nur durch kleine Unterschiede im Kohlenstoffgehalt charakterisiert sind.
Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
1: eine Vorrichtung zur Kohlenstoffanalyse mit einer CO₂-Absorption in wässriger Lösung; sowie
2: eine Vorrichtung entsprechend 1 mit Absorption in einer Feststoffschüttung.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch veranschaulicht, bei der die Reinigung der Luft von CO₂ durch eine wässrige Lösung erfolgt.
Eine Membranpumpe 1 saugt über ein Partikelfilter 11 Umgebungsluft an und leitet sie durch eine Waschflasche 2, die die wässrige Lösung des Hydroxids eines Alkali- oder Erdalkalimetalls, z.B. Ca(OH)₂, enthält. Das CO₂ der Luft reagiert wie folgt: Ca(OH)₂ + CO₂ -> CaCO₃ + H₂O .
Die weitgehend von CO₂ befreite Luft wird über einen PTFE-Schlauch 3 in eine Funkenstandskammer 4 einer Prüfsonde geleitet, die einen Lichtbogen 5, der zwischen einer Gegenelektrode 6 und einer Werkstückoberfläche 7 brennt, von der Umgebungsluft abtrennt. Ein Abluftschlauch 8 verhindert das Eindringen von CO₂ durch Verwirbelungen oder Rückdiffusion. Das Volumen der Funkenstandskammer 4 kann so mit praktisch CO₂-freier Luft gespült werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird wie folgt durchgeführt:
Zunächst wird die Prüfsonde auf das Werkstück 9 aufgesetzt und so die Funkenstandskammer 4 in wesentlichen gegenüber der äußeren Atmosphäre isoliert. Dann wird zunächst mit einer Spülrate von ca. 2 l/min die CO₂-haltige Luft in der Funkenstandskammer 4 durch gereinigte Luft ersetzt.
Nach ca. 0,5 s ist die Funkenstandskammer 4 mit gereinigter Luft gefüllt und die Spülrate wird durch Absenken der Membranpumpen-Versorgungsspannung auf einen geringeren Wert, z.B. 0,5 l/min gebracht. So wird ein Verblasen des Bogens vermieden. Der Bogen kann nun gezündet werden, ohne dass eine Kontamination durch CO₂ zu befürchten wäre.
Der Einsatz wässriger konzentrierter Hydroxidlösungen ist aus Sicherheitsgründen beim Einsatz mobiler Messsysteme problematisch. Die Reinigung lässt sich mit der in 2 veranschau lichten Vorrichtung auch mit einer festen Schüttung eines Hydroxids durchführen. 2 zeigt den zugehörigen Aufbau. Die Membranpumpe 1 leitet die Umgebungsluft in einen abgeschlossenen Behälter mit einer NaOH – oder Ca(OH)₂- Schüttung 9. Bringt man das Hydroxid auf ein Substrat auf, kann eine Verflüssigung dieser stark hygroskopischen Substanzen vermieden werden.
Das beschriebene Verfahren lässt sich auch in Spektrometersystemen verwenden, die als Anregungsquelle eine elektrische Funkenentladung unter Luft verwenden.

1: Membranpumpe
2: Waschflasche
3: PTFE-Schläuche
4: Funkenstandskammer
5: Lichtbogen
6: Gegenelektrode
7: Werkstückoberfläche
8: Abluftschlauch
9: Werkstück
10: Behälter mit Hydroxid-Schüttung
11: Partikelfilter

Claims

Optisches Emissionsspektrometer zur Analyse, Identifikation oder Verwechslungsprüfung metallischer Werkstoffe, mit wenigstens einem Bogen- oder Funkengenerator, der eine Entladung zwischen einer Elektrode und einem Werkstück in einer mit Luft gefüllten Funkenstandskammer erzeugt, und mit einem Reinigungsvorrichtung für die die Entladung umgebende Luft, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsvorrichtung eine Pumpe für die Zufuhr von Luft in die Funkenstandskammer sowie einen stromaufwärts der Funkenstandskammer angeordneten, von der Luft durchströmbaren Behälter aufweist, wobei der Behälter ein Alkali- oder Erdalkalimetallhydroxid oder eine andere das CO₂ der Luft bindende Substanz enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter eine Waschvorrichtung mit einer wässrigen Lösung eines Alkali- oder Erdalkalimetallhydroxids oder einer sonstigen das CO₂ der Luft bindenden Flüssigkeit aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter eine Waschvorrichtung mit eine feste Schüttung eines Alkali- oder Erdalkalimetallhydroxids oder einer sonstigen das CO₂ der Luft bindenden Substanz aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pum pe eine Membranpumpe ist, die mit wenigstens zwei Förderleistungen betreibbar ist.
Verfahren zur optischen Emissionsanalyse metallischer Werkstoffe, mit einem Spektrometer mit wenigstens einem Bogen- oder Funkengenerator, dessen Funkenstandskammer mit Luft gespült wird, mit folgenden Schritten: – die Umgebungsluft wird durch einen Behälter geleitet, der eine das CO₂ der zu reinigenden Luft absorbierende Substanz enthält; – die von CO₂ abgereicherte Luft wird einer die Umgebungsluft abhaltenden Funkenstandskammer zugeführt; – in der Funkenstandskammer wird eine Bogen- oder Funkenentladung erzeugt, deren Spektrum analysiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter ist gefüllt mit einer Schüttung eines Hydroxids eines Alkali- oder Erdalkalimetalls oder einem sonstigen das CO₂ der Luft bindenden festen Stoff.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter eine Waschvorrichtung mit einer wässrigen Lösung eines Alkali- oder Erdalkalimetallhydroxids oder einer sonstigen das CO₂ der Luft bindenden Flüssigkeit aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Membranpumpe zunächst vor der Erzeugung des Bogens oder Funkens die gereinigte Luft mit einer ersten Flussrate in die Funkenstandskammer leitet und dann unmittelbar vor oder nach der Zündung des Bogens oder Funkens auf eine zweite Flussrate umgeschaltet wird, wobei die erste Flussrate größer ist als die zweite Flussrate.