DE1296835B

DE1296835B - Arrangement for determining the gas content of metal samples

Info

Publication number: DE1296835B
Application number: DEB74523A
Authority: DE
Inventors: Kraus; Dr Otto; Dr Thaddaeus Vaduz; Winkler
Original assignee: Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1963-10-25
Filing date: 1963-12-04
Publication date: 1969-06-04
Also published as: GB1031940A; CH408462A

Description

Die als Vakuumheißextraktionsöfen bekannten Schmelzofen dienen dazu, aus kleinen Metallproben durch Erhitzen und Schmelzen unter Vakuum die in diesen gelösten oder eingeschlossenen Gase auszutreiben, um sie mit Analysengeräten, die an den Ofen angeschlossen werden, quantitativ zu erfassen. Meist handelt es sich um die Bestimmung des Sauerstoff-, Wasserstoff- und Stickstoffgehaltes einer Probe. Bei den bekannten Öfen dieser Art wird die Probe in einen Kohle- oder Graphittiegel eingebracht, der durch Widerstands- oder Induktionsheizung erhitzt wird. Verschiedene Proben können durch bekannte Schleuseneinrichtungen in den Tiegel nacheinander eingeführt werden. Eine Probe, weiche sorgfältig extrahiert ist und danach im Tiegel verbleibt, gibt bei der nachfolgenden Extraktion einer weiteren Probe keine nennenswerten Gasmengen mehr ab. Trotzdem können solche Rückstände die nachfolgende Analyse weiterer Proben sehr stören, indem infolge der Vergrößerung der im Tiegel befindlichen Masse und der dadurch bewirkten Verdünnung des Probenmaterials die Extraktionszeiten untragbar lang werden bzw. die Analysen an Genauigkeit verlieren. Will man große Analysengenauigkeit und trotzdem eine schnelle Aufeinanderfolge der einzelnen Analysen erzielen, ist es nach den vom Erfinder gemachten Erfahrungen unerläßlich, Rückstände der vorangehenden Analysen aus dem Tiegel zu entfernen, bevor neue Proben untersucht werden. Zu diesem Zweck könnte das Vakuum im Ofen unterbrochen und der Ofen geöffnet werden. Ein häufiges Öffnen und Wiederevakuieren möchte man jedoch wegen der Zeitverluste tunlichst vermeiden. Man könnte an verschiedene Kippvorrichtungen denken, um den Tiegelinhalt nach jeder einzelnen Extraktion entleeren zu können, doch ist ein Entleeren des Tiegels auf diese Weise nicht möglich, da die Probeschmelzen infolge der Aufkohlung durch den Graphit- oder Kohletiegel häufig so zäh werden, daß sie nicht ausfließen, selbst wenn man den Tiegel auf den Kopf stellt. Die Lösung des vorliegenden Problems wird um so dringender, je größer die Genauigkeit ist, welche die an den Ofen anschließbaren Analysengeräte aufweisen.Those known as vacuum hot extraction ovens Melting furnaces are used to convert small metal samples into the in Expel these dissolved or trapped gases in order to use analytical equipment attached to the furnace be connected, to be recorded quantitatively. Usually it is a matter of determining the oxygen, Hydrogen and nitrogen content of a sample. In the known ovens of this type, the sample is in A carbon or graphite crucible is introduced, which is heated by resistance or induction heating will. Different samples can be fed into the crucible one after the other through known lock devices to be introduced. A sample, which has been carefully extracted and then remains in the crucible, is included the subsequent extraction of a further sample no longer releases any significant amounts of gas. Nevertheless Such residues can seriously interfere with the subsequent analysis of further samples, as a result of the enlargement the mass in the crucible and the resulting dilution of the sample material the extraction times become prohibitively long or the analyzes lose their accuracy. Do you want big It is analysis accuracy and still achieve a quick succession of the individual analyzes indispensable according to the experience made by the inventor, residues of the previous analyzes from the crucible before testing new samples. To this end, that could The vacuum in the furnace is interrupted and the furnace is opened. Frequent opening and evacuation however, one would like to avoid as much as possible because of the loss of time. You could use different tilting devices think in order to be able to empty the contents of the crucible after every single extraction, yes it is not possible to empty the crucible in this way, as the test melts are caused by the carburization often become so tough through the graphite or carbon crucible that they do not flow out, even if the crucible is turned upside down. The solution to the problem at hand becomes more and more urgent the accuracy of the analyzers that can be connected to the furnace is greater.

Zur Lösung dieses Problems geht die Erfindung einen neuen überraschend einfachen Weg. Die erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung des Gasgehaltes von Metallproben, bestehend aus einem evakuierbaren Gehäuse, einem darin angeordneten heizbaren Tiegel zur Aufnahme der zu untersuchenden Proben, welcher mittels geeigneter Antriebsmittel um eine vertikale Achse drehbar ist, einer Gassammelpumpe und einem Gasanalysengerät, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel wahlweise, nämlich nach Durchführung einer Analyse, in so schnelle Drehung versetzbar ist und eine so flache Mulde zur Aufnahme der Probe aufweist, daß die schmelzflüssigen Probenrückstände durch Fliehkräfte aus dem Tiegel herausgeschleudert werden.To solve this problem, the invention takes a new, surprisingly simple way. The inventive Arrangement for determining the gas content of metal samples, consisting of a housing that can be evacuated and one arranged in it heatable crucible for holding the samples to be examined, which is operated by means of suitable drive means is rotatable about a vertical axis, a gas collection pump and a gas analyzer, is characterized by that the crucible optionally, namely after an analysis has been carried out, in such fast Rotation is displaceable and has such a shallow trough for receiving the sample that the molten Sample residues are thrown out of the crucible by centrifugal forces.

Schmelzofen mit einem Tiegel, der in Rotation versetzt werden kann, waren zu anderen Zwecken an sich schon bekannt, z. B. wurden rotierende Tiegel schon für Lichtbogenofen vorgeschlagen, um der Schmelzbadoberfläche eine den Lichtbogen umhüllende konkave Form zu verleihen.Melting furnaces with a rotating crucible were used for other purposes already known, z. B. rotating crucibles have already been proposed for arc furnaces to the To give the melt pool surface a concave shape enveloping the arc.

Bei einem anderen bekannten Schmelzofen sollte die langsame Drehbewegung eines Schmelzbehälters größeren Durchmessers dazu dienen, verschiedene Teile der Schmelzbadoberfläche mit gleichmäßiger Geschwindigkeit unter einer feststehenden Elektrode zur Erzeugung eines Lichtbogens vorbeizuführen. Nach diesem bekannten Vorschlag sollten auch durch die langsame Drehbewegung geringe Fliehkräfte auf die auf der Oberfläche der Schmelze schwimmenden Schlackenteile ausgeübt werden, um sie allmählich an den Rand des Behälters zu treiben und von dort abschöpfen zu können. In Wirklichkeit funktioniert diese Methode nicht; die Schlacken sammeln sich nicht am Rand, sondern gerade in der Mitte des sich drehenden Tiegels, weil sie ein geringeres spezifisches Gewicht als die Schmelze besitzen.In another known melting furnace, the slow rotation of a melting vessel should Larger diameter serve different parts of the molten bath surface with more uniform Speed to pass under a fixed electrode to create an arc. According to this known proposal, low centrifugal forces should also result from the slow rotary movement the pieces of slag floating on the surface of the melt are exerted to gradually adhere to them to drive the edge of the container and to be able to skim from there. In reality it works not this method; the slag does not collect at the edge, but in the middle of itself rotating crucible because they have a lower specific weight than the melt.

Das Ausgießen einer Schmelze aus einem Tiegel durch Fliehkräfte ist bisher nicht bekanntgeworden. Daß es vorteilhaft wäre, bei einem Analysenschmelzofen die Entfernung der schmelzflüssigen Probenrückstände statt durch Kippen auf diese Weise zu bewerkstelligen, konnte aus den bekannten Anwendungen eines rotierenden Schmelztiegels nicht geschlossen werden.The pouring of a melt from a crucible by centrifugal forces has not yet become known. That it would be advantageous in an analytical furnace to remove the molten sample residue instead of accomplishing this by tipping, could from the known applications a rotating crucible cannot be closed.

Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. An embodiment of the device according to the invention is explained in more detail with reference to the drawings.

F i g. 1 zeigt schematisch die Gesamtanordnung;F i g. 1 schematically shows the overall arrangement;

F i g. 2 zeigt ein konstruktives Ausführungsbeispiel des Ofenteils.F i g. 2 shows a structural embodiment of the furnace part.

In Fig. 1 bedeutet 1 ein Gehäuse eines Vakuumofens, 2 einen Tiegel, 3 einen diesen umgebenden elektrischen Widerstandsheizkörper mit dazugehörigen Stromzuführungen 4 und 5. 6 bedeutet eine drehbare Welle, die vakuumdicht durch den Boden 7 des Ofengehäuses hindurchgeführt ist und durch einen Motor 8 von außen angetrieben werden kann. Statt einer vakuumdichten Durchführung könnten auch Antriebsmittel im Innern des Ofengehäuses vorgesehen werden, doch sind Motoren in Vakuumräumen wegen ihrer Gasabgabe unerwünscht. Die Aufgabe, einen Körper in einem Hochvakuum in schnelle Rotation zu versetzen, ist bei den bekannten Drehanoden-Röntgenröhren bereits technisch gelöst, und alle diesbezüglichen Erfahrungen können hier benutzt werden.In Fig. 1, 1 denotes a housing of a vacuum furnace, 2 a crucible, 3 a surrounding it electrical resistance heater with associated power supply lines 4 and 5. 6 means a rotatable Shaft which is passed vacuum-tight through the bottom 7 of the furnace housing and through a Motor 8 can be driven from the outside. Instead of a vacuum-tight implementation could also Drive means can be provided inside the furnace housing, but motors are in vacuum spaces undesirable because of their gas release. The task of turning a body into rapid rotation in a high vacuum to move is already technically solved in the known rotating anode x-ray tubes, and all relevant experiences can be used here.

Das Ofengehäuse ist über eine Rohrleitung 9 an einen Hochvakuumpumpstand, der üblicherweise aus einer Diffusionspumpe 10 und einer Vorpumpe 11 besteht, angeschlossen. Über eine weitere Leitung 12 können mittels eines Schleusenventils 13 und Trichters 14 Proben in den Ofen eingeführt werden, während dieser unter Vakuum steht. Die Analysengeräte zur Untersuchung der extrahierten Gase können beliebiger Art sein und sind in der F i g. 1 summarisch mit 15 bezeichnet. Gewöhnlich wird eine der Evakuierungspumpen gleichzeitig als Sammelpumpe zum Auffangen des Analysengases benutzt, an deren Ausgang die Analysengeräte angeschlossen werden.The furnace housing is via a pipeline 9 to a high vacuum pumping station, which is usually made of a diffusion pump 10 and a backing pump 11 is connected. Via another line 12 samples can be introduced into the furnace by means of a sluice valve 13 and funnel 14, while this is under vacuum. The analysis devices for examining the extracted gases can be any Be kind and are in the fig. 1 summarized as 15. Usually one of the evacuation pumps will be used used at the same time as a collecting pump to collect the analysis gas at the outlet the analysis devices are connected.

Eine Analyse wird auf übliche Weise durchgeführt, indem eine Probe in den Tiegel gegeben, dieser auf eine entsprechende Temperatur eine bestimmte Zeit erhitzt wird und das dabei abgegebene Gas durch die Pumpe gesammelt und dem Analysator zugeführt wird. Zur Durchführung der nächsten Analyse wird der von der vorhergehenden Analyse im Tiegel verbleibende noch zähflüssige Rückstand durch schnelle Rotation des Tiegels aus diesem herausgeschleudert, so daß er bei der nachfolgenden Analyse nicht mehr stört. Eine vollständige Entfernung des Probenrückstandes ist nicht nötig, vielmehr kann eine kleine Menge der entgasten Schmelze der vorhergehendenAn analysis is carried out in the usual way by placing a sample in the crucible on top of it a corresponding temperature is heated for a certain time and the gas given off by the Pump is collected and fed to the analyzer. To carry out the next analysis will be the viscous residue remaining in the crucible from the previous analysis by rapid Rotation of the crucible thrown out of it, so that it no longer occurs in the subsequent analysis disturbs. A complete removal of the sample residue is not necessary, rather a small Amount of degassed melt from the previous one

Probe in an sich bekannter Weise als Vorschmelze für die folgende Probe dienen.Sample serve as a premelt for the following sample in a manner known per se.

Rotationsgeschwindigkeiten, die so groß sind, daß das im Tiegel befindliche Material eine Beschleunigung von etwa lOfacher Größe der Erdbeschleunigung erfährt, sind leicht zu verwirklichen: Die auf einen in einer Kreisbahn bewegten Körper wirkende Fliehkraft ist bekanntlich gleich mrofl (wobei m die Masse, r den Mittelpunktsabstand, ω die Winkelgeschwindigkeit des betreffenden Körpers bedeutet). Die Beschleunigung b ist also gleich μω². Bei einem Mittelpunktsabstand eines Massenelementes im Schmelztiegel von nur 0,1 cm und einer Drehzahl / = 50 pro Sekunde beträgt die Beschleunigung bereits 0,1 (2 π-5O)²= 10 000 cm/sec2, das entspricht ungefähr 10 g (π = 3,14; g = 981 cm/sec²). Unter dieser Beschleunigung erfährt die geschmolzene Probe eine genügende Fliehkraft, so daß sie trotz ihrer Zähigkeit mit Sicherheit aus dem Tiegel herausgeschleudert wird.Rotational speeds that are so great that the material in the crucible experiences an acceleration of about ten times the acceleration due to gravity, are easy to achieve: The centrifugal force acting on a body moving in a circular path is known to be equal to mrofl (where m is the mass, r den Center-to-center distance, ω means the angular velocity of the body in question). The acceleration b is therefore equal to μω ² . With a center-to-center distance of a mass element in the crucible of only 0.1 cm and a speed of / = 50 per second, the acceleration is already 0.1 (2 π-50) ² = 10,000 cm / sec2, which corresponds to approximately 10 g (π = 3.14; g = 981 cm / sec ² ). Under this acceleration, the molten sample experiences sufficient centrifugal force so that, despite its toughness, it will be thrown out of the crucible with certainty.

Die F i g. 2 zeigt eine praktisch erprobte Konstruktion. Darin bedeutet 21 ein Ofengehäuse, 22 einen Tiegel, der hier als zylindrischer Rotationskörper ausgebildet ist und an seinem oberen Ende eine Mulde 23 zur Aufnahme der Proben aufweist. Der Rotationskörper 22 ist von einer flüssigkeitsgekühlten Welle 24 getragen. Das Kühlmittel tritt durch eine Leitung 25 zuerst in eine durch zwei ringförmige Lippendichtungen 27 und 28 und durch die Wand eines Kugellager- und Dichtungsgehäuses 29 gebildete Kammer 30 ein, gelangt von dort durch öffnungen 31 in das Innere der hohlen Welle, fließt, wie durch einen Pfeil angedeutet, in dem Zwischenraum zwischen der Wand der hohlen Welle und einem in dieser angeordneten Rohr 32 nach oben, tritt am oberen Ende des Rohres 32 in dieses ein, fließt wieder nach unten, gelangt durch Öffnungen 33 und 34 in eine von den Dichtungen 27 und 35 gebildete Kammer 36 und strömt von dort durch eine Leitung 26 ab.The F i g. 2 shows a construction that has been tried and tested in practice. Therein 21 means a furnace housing, 22 means one Crucible, which is designed here as a cylindrical body of revolution and at its upper end a Has trough 23 for receiving the samples. The rotating body 22 is of a liquid-cooled Wave 24 worn. The coolant passes through a line 25 first in one through two annular ones Lip seals 27 and 28 and formed by the wall of a ball bearing and seal housing 29 Chamber 30, passes from there through openings 31 into the interior of the hollow shaft, flows as if through indicated by an arrow in the space between the wall of the hollow shaft and one in this arranged pipe 32 upwards, occurs at the upper end of the pipe 32 in this, flows again below, passes through openings 33 and 34 into a chamber 36 formed by seals 27 and 35 and flows from there through a line 26.

Die Welle ist von Kugellagern 37 und 38 getragen und durch weitere Dichtungen 39 und 40 abgedichtet. Sie ragt durch den Boden 41 des Ofengehäuses und kann bei 42 mittels eines Motors von außen angetrieben werden.The shaft is supported by ball bearings 37 and 38 and sealed by further seals 39 and 40. It protrudes through the bottom 41 of the furnace housing and can be driven from the outside at 42 by means of a motor will.

Zum Zweck der leichteren Demontierbarkeit ist das Ofengehäuse zweiteilig ausgeführt; der untere Teil, der die vorstehend beschriebene Einrichtung trägt, ist mit 21a bezeichnet.For the purpose of easier dismantling, the furnace housing is made in two parts; the lower Part that carries the device described above is denoted by 21a.

Stromzuführungen 43 und 44 sind vakuumdicht durch den Boden 41 geführt, sind bei 45 und 46 nochmals gedichtet und besitzen an ihren oberen Enden Anschlußklemmen für eine HeizvorrichtungPower supply lines 43 and 44 are guided in a vacuum-tight manner through the base 41 and are at 45 and 46 again sealed and have terminals for a heating device at their upper ends

47. Diese besteht im Ausführungsbeispiel aus einem zylindermantelförmigen, den Rotationskörper 22 umgebenden elektrischen Widerstandsheizkörper aus Graphit oder Kohle (um eine mäanderförmige verlängerte Strombahn zu schaffen, ist ein solcher Heizkörper in bekannter Weise mit Einschnitten versehen). Der Heizkörper 47 erhitzt den Körper 22 durch Strahlung und ist zum Schutz gegen Strahlungsverluste nach außen von einem Reflektor 48 umgeben. Dessen Wandteile 49 und 50 dienen auch zum Auffangen der aus der Mulde 23 herausgeschleuderten Probenrückstände. Die Teile 48, 49 und 50 können z. B. aus einem hochschmelzenden Metall oder aus Graphit oder Kohle bestehen. Der obere Teil des Ofengehäuses ist ebenfalls kühlbar ausgebildet, mit Kühlmittelanschlüssen 51 und 52 und einem kühlmitteldurchströmten Hohlraum 53 in der Wand des Gehäuses.47. In the exemplary embodiment, this consists of a cylinder jacket-shaped surrounding the body of rotation 22 electrical resistance heating element made of graphite or carbon (extended by a meandering To create a current path, such a radiator is provided with incisions in a known manner). The heating element 47 heats the body 22 by radiation and is surrounded by a reflector 48 to protect against radiation losses to the outside. Its wall parts 49 and 50 also serve to catch those thrown out of the trough 23 Sample residues. The parts 48, 49 and 50 can, for. B. from a refractory metal or consist of graphite or carbon. The upper part of the furnace housing is also designed to be coolable, with coolant connections 51 and 52 and a cavity 53 through which coolant flows in the wall of the housing.

Der Ofen besitzt einen Vakuumanschluß 54 und an seinem oberen Ende eine Anschlußmöglichkeit für eine Schleuse zum Einbringen der Proben oder einen Proben-Vorratsbehälter. Eine trichterförmige Öffnung, durch welche die Proben eingeführt werden, ist mit 55 bezeichnet.The furnace has a vacuum connection 54 and at its upper end a connection for a lock for introducing the samples or a sample storage container. A funnel-shaped opening through which the samples are introduced is indicated at 55.

Da der Probenrückstand nach jeder einzelnen Analyse aus dem Tiegel entfernt werden kann, ermöglicht die Erfindung die Verwendung von gesinterten Tiegeln auch für serienmäßige Untersuchungen. Bisher wurden derartige Tiegel nur für die Untersuchung von Einzelproben verwendet, weil Sintertiegel größeren Durchmessers schwer herzustellen und teuer sind. Kohlenstofffreie Sintertiegel haben den Vorteil einer längeren Lebensdauer, weil der Abbau der Tiegelwände durch die Kohlenstoffaufnahme der Schmelze (wie sie im Fall von Graphit- oder Kohletiegeln stets stattfindet) vermieden werden kann.As the sample residue can be removed from the crucible after each individual analysis the invention the use of sintered crucibles also for series investigations. Until now Such crucibles were only used for the investigation of individual samples, because sintered crucibles are larger Difficult to manufacture and expensive in diameter. Carbon-free sintering crucibles have the advantage of being longer service life because the crucible walls break down due to the carbon uptake of the melt (as always occurs in the case of graphite or carbon crucibles) can be avoided.

Claims

Claim:

Arrangement for determining the gas content of metal samples, consisting of an evacuable one Housing, a heatable crucible arranged in it to hold the items to be examined Samples, which can be rotated about a vertical axis by means of suitable drive means, one Gas collection pump and a gas analyzer, characterized in - that the crucible (2, 22) optionally, namely after an analysis has been carried out, can be set into such rapid rotation is and has such a shallow trough (23) for receiving the sample that the molten Sample residues are thrown out of the crucible (2, 22) by centrifugal forces.

1 sheet of drawings