DE2052669A1 - Vorrichtung zur spektralanalytischen Untersuchung von Bereichen hoher Tempe ratur, insbesondere von geschmolzenen Me tallen - Google Patents

Description

DR.-IN<». EIPL.-INÖ. M.SC. . ßlf'L n'lVP. ÜR. OIPL.-PHYS.

HÖGER - STELLRECHT -GRiESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

A 38 *136 m

22. Oktober 1970

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SOCIETE PKAWCAISE D'INSTRUMENTS DE CONTROLE ET D¹ANALYSES

Le MesnilSaint-Denis (Yvelines) Frankreich

Vorrichtung zur spektralanalytischen Unter~ suchung von Bereichen hoher Temperatur, insbesondere von geschmolzenen Metallen

Die Erfindung betrifft in erster Linie eine Vorrichtung zur Ausübung der Spektralanalyse an einem flüssigen Metall, das in einem Schmelz- oder Verhüttungsofen enthalten ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient dem Zweck, ein in dem Ofen von der Oberfläche eines flüssigen Metalles ausgehendes Lichtbündel zu gewinnen und ohne Veränderung zu einem an sich bekannten Spektralapparat, insbesondere Spektrographen zu übertragen.

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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Apparatur, die die oben erwähnte Vorrichtung enthält und eine funktionelle Kombination zwischen einem Spektrograpnen und einem Schmelzofen herstellt, insbesondere· mit einem Ofen, in dem Metalle Oder Legierungen mit hohen Schmelztemperaturen aufgeschmolzen werden.

Das Wort "Ofen" wird hier im weitesten Sinne gebraucht, um sämtliche, gewöhnlich mit schwerschmelzbaren V/änden ausgestattete Gefäße zu bezeichnen, die in der Lage sind, ein flüssiges Metall aufzunehmen, beispielsweise Konverter, Mischanlagen usw. Weiterhin wird hier mit dem Wort "Metall" jedes Material, im allgemeinen eine Metallegierung, bezeichnet, von dem man wenigstens teilweise.die Zusammensetzung kennenlernen möchte, solange sich das Material unter dem Einfluß von Wärme im flüssigen Zustand befindet. Die Erfindung eignet sich insbesondere für die Eisenhüttentechnik und die allgemeine Metallurgie, wo Metalle im Schme-lzzustand in einem Temperaturbereich zwischen etwa 300 und 1.800 C verarbeitet'werden. Diese Te mperat uran gäbe stellt jedoch hinsichtlich der Ahwendungjmöglichkeit der Erfindung keine Beschränkung dar.

Es ist insbesondere in Elektrostahlwerken und in Anlagen mit kontinuierlichem Fluß der Fertigung wesentlich, innerhalb einer Zeit, die so kurz als möglich ist, die Zusammensetzung oder wenigstens den Gehalt an bestimmten Elementen eines . geschmolzenen Metalles in einem Ofen in Erfahrung zu bringen. Die Verhüttung von Stahl ist im Zusammenhang mit der Anwendung von Sauerstoff ein schnell ablaufender Prozeß geworden, der sich insgesamt in der Größenordnung von etwa 20 Minuten abspielt. Dieser Prozeß verlangt rasche Steuermaßnahmen und

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infolge;dessen Analysen, die während der Verhüttung so rasch als möglich ausgeführt werden. Aufgrund dieser Forderung lassen sich die langsamen klassischen Analysenmethoden nicht mehr anwenden. Die klassischen Analysemethoden bestanden dabei darin, eine Probe aus der Schmelze zu entnehmen, die Probe erstarren au lassen, eine Fläche der Probe grob anzupolieren und die Probe hierauf als Elektrode im Beleuchtungspunkt eines Spektrographen zu verwenden, der häufig in einem vom Ofen weit abgelegenen Laboratorium stand.

Man hat zwar schon versucht, ein Lichtbündel zu gewinnen, welches von einem an der Oberfläche eines Schmelsbades erzeugten Lichtbogen ausging, und dieses Bündel mit Hilfe eines Spektrographen zu analysieren. Man ist bislang jedoch niemals aufgrund der verschiedenen, vorgeschlagenen Lösungen dahin gelangt, richtige und konstante Analysen zu erhalten, die industriell ausgewertet werden konnten. Es ist evident, daß eine Notwendigkeit besteht, je nach Wunsch Analysenkurven zu gewinnen und zu reproduzieren, die aus Funken oder Lichtbogen an flüssigem Metall gewonnen sind und eine konstante Korrelation zu den wirklichen Zusammensetzungskurveri des Metalls besitzen, wie sie beispielsweise aufgrund einer chemischen Analyse erhalten werden.

Die zu überwindenden Schwierigkeiten sind zahlreich, z.B.:

Die hohe Temperatur (1,600 C bei Stahl), welche im Inneren des Ofens herrscht, und die große Empfindlichkeit der Spektrographen gegenüber der Umgebungstemperatur (gewöhnlich werden die Spektrographen auf 1/10⁰C temperaturstabilisiert);

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die schlechte optische Qualität der Atmosphäre in der Nähe des Schmelzbades (Rauch, Metalldämpfe, unter'schied*- liche Anwesenheit von CO, COp, S0„, 0„ etc.) und die große Anfälligkeit des Lichtbündels gegenüber Veränderungen dieser Atmosphäre. Bei Stahl müssen zum Analysespektrographen Strahlen ohne Veränderung übertragen werden, deren Wellenlänge zwischen etwa 1.6-50 und 2.800 A liegen, wobei die Nichtmetalle hauptsächlich im Wellenlängenbereich zwischen etwa I.65O und 2.000 A und die Metalle ara v/esentliehen zwischen etwa 2.200 und 2.800 A emittieren. In bestimmten Fällen muß man auch Lichtstrahlen bestimmter Körper bis zu etwa 3·500 A und selbst bis zu etwa 8.000 Ä (7.765 A bei der Kalium-Bestimmung) analysieren.

Um nur ein einziges Beispiel zu geben: Sauerstoff absorbiert eine Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb I.86O A praktisch vollständig, woraus die hier auftretenden Schwierigkeiten ohne weiteres erhellen.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, unter Überwindung dieser Schwierigkeiten ein Lichtbündel, das von einem an der Oberfläche eines im Schmelzzustand befindlichen Metalles erzeugten, elektrischen Lichtbogens herrührt, ohne Veränderung zu einem Spektralapparat zu leiten, der in ausreichender Entfernung vom Ofen aufgestellt ist.

.Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung geht es darumj ein Lichtbündel, das aus einem bestimmten Bereich eines elektrischen Lichtbogens stammt, zu erzeugen und trotz der Instabilität des Lichtbogens in ausreichender Weise zu konservieren.

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Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß mit der vorgeschlagenen Vorrichtung Lichtbündel in einem Wellenlängenbereich zwischen etwa I.6OO und-8.000 A oder mehr übertragen werden können. Ein weiterer Vorzug der Erfindung besteht darin, daß in der kurzen Zeit von -etwa 1 min. eine präzise unr¹ reproduzierbare Spektralanalyse eines in einem Herd im Schmelzzustand befindlichen Metalles durchführbar wird.

Erfindungsgemäß zeichnet sich eine Vorrichtung zur Gewinnung eines Strahlenbündels aus einem bestimmten Bereich eines in einem Ofen an der Oberfläche eines Schmelzbades bei hoher Temperatur erzeugten Funkens oder Bogens und zur Übertragung dieses Bündels zu einem Spektrographen, der seinerseits einen Beleuchtungspunkt, eine Öffnung und einen Eintrittsspalt besitzt, durch folgende Merkmale aus:

Ein langgestrecktes, hohles und abgeschlossenes Gehäuse besitzt eine Anschlußöffnung für eine Einrichtung zur Steuerung der im Inneren des Gehäuses herrschenden Atmosphäre, ferner eine Einlaßöffnung für das einfallende Lichtbündel, die in einer Außenwand angeordnet und durch ein passendes transparentes Material verschlossen ist, weiterhin eine erste Auslaßöffnung für den Hauptteil des Lichtbündels, die in der gegenüberliegenden Außenwand angeordnet und mit dem Eingang des Spektrographen durch ein abgedichtetes Anschlußelement verbunden ist;

im Inneren des Gehäuses ist ein optisches System vorgesehen, das wenigstens einen Eingangsspiegel umfaßt, der das durch die Einlaßöffnung eintretende Lichtbündel aufnimmt und reflektiert, wobei dieser Spiegel so angeordnet ist, daß seine Lage bezüglich wenigstens einer Achse regelbar ist j

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ferner ist ein Spiegel mit einer Öffnung vorgesehen, der das einfallende Lichtbündel in einen dem Spektrographen zugeführten hauptteil und in einen sekundären Teil aufteilt;

ein Mechanismus dient zur Stellungskorrektur des .Eingangsspiegels, wobei dieser Mechanismus an den Eingangsspiegel angekoppelt ist;

ein mit dem Mechanismus verbundenes Steuerorgan mit einem Strahlendetektor ist auf dem Weg des sekundären Teils des Lichtbündels derart angeordnet, daß die Stellung des Eingangsspiegels ih Abhängigkeit von dem Licht, welches von dem Strahlendetektor aufgenommen wird, geregelt wird;

das optische System erzeugt dabei im Beleuchtungspunkt des Spektrographen ein reelles Bild des gewählten Bereiches im elektrischen Lichtbogen, " . ,

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umgibt das Gehäuse den Beleuchtungspunkt des Spektrographen, und das Anschlußelement der ersten Auslaßöffnung des Gehäuses an dem Eingang des Spektrographen wird von einem hohlen, rohrförmigen, abgedichteten Element gebildet, das vorzugsweise einen optischen Kondensor enthält.

Bei einer v/eiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Anschlußelement ein optischer Lichtleiter, auch optisches Kabel genannt, dessen eines Ende am Beleuchtungspunkt des Spektrographen und dessen anderes Ende mit einem vorzugsweise rechteckigen Querschnitt am Eintrittsspalt des Spektrographen angeordnet ist..

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Die Erfindung vermittelt weiterhin eine Apparatur zur Spektralanalyse eines geschmolzenen Metalls und umfaßt unter diesem Aspekt: einen Ofen aus schwerschmelzbaren Wänden mit einer (seitlichen) Öffnung, ein geschmolzenes Metall im Inneren des Ofens, das bis zu einem Hiveau unterhalb der (seitlichen) Öffnung reicht, einen Generator zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens zwischen einer Elektrode und der Oberfläche des geschmolzenen Metalls, ferner ein hohles Anschlußglied, das einerseits im Bereich der' (seitlichen) Öffnung mit der Ofenwand und andererseits mit der oben beschriebenen Vorrichtung an deren Einlaßöffnung verbunden ist, sowie einen Spektrographen, der an die erste Auslaßöffnung der erwähnten Vorrichtung angeschlossen ist.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Teilschnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Einzelansicht einer Einrichtung zur Komplettierung der Ausführungsform nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine Teilschnittansicht einer- abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Ofen 1 dargestellt mit einer kompakten, schwerschmelzbaren Wand 2, in welcher eine seitliche Öffnung 3 ausgespart ist. Der Ofen 1 enthält eine flüssige Legierung 4, die durch nicht dargestellte Heizeinrichtungen im Schmelzzustand gehalten wird. Ein Funken- oder Lichtbogengenerator

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ist in der Nähe des,Ofens ,1 angeordnet und mit einer in das Schmelzbad eintauchenden Elektrode 6 verbunden. Weiterhin ist der Generator.an eine Elektrode 7 ahgeschlössen, die in geringer'Entfernung oberhalb der Oberfläche des flüssigen Metalls gehalten ist, und zwar in der Nähe und gegenüber der Öffnung 3. ,

Der Generator 5 kann durch irgendein anderes geeignetes Mittel ersetzt werden, wenn dieses nur in der Lage ist, einen elektrischen Lichtbogen oder Funken an der Oberfläche des flüssigen Metalls zu erzeugen, das in diesem Fall die Holle einer Elektrode spielt.

Der Lichtbogen 8 ist insofern relativ instabil, als er seine Gestalt und Lage ändert; die Oberfläche des-Schmelzbades k ist ebenfalls nicht vollständig ruhig und ruft Verschiebungen des Lichtbogens hervor. Somit ist lediglich ein zentraler Bereich des Lichtbogens für. die Analyse interessant.

Um die Öffnung 3 herum ist an der Wand 2 des Ofens 1 das eine Ende eines biegsamen, hohlen Anschlußgliedes befestigt, das eine kompensierte, Dehnung zuläßt. Ein solches Glied ist beispielsweise ein Faltenbalg 9,j der in der Lage ist, kräftige Teniperaturänderungen auszuhalten, ohne daß seine Länge variiert. Ferner muß der Faltenbalg seitlich und längs gerichtete Deformationen, ausführen können. Das andere Ende des Faltenbalgs 9 ist an der Vorderseite der Stirnwand 11 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 befestigt, die im Nachstehenden im einzelnen,noch beschrieben wird.

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Die Vorrichtung 10 weist gegenüber der Stirnwand 11 eine Rückwand 12 auf, an welcher das eine Ende eines abgedichteten Anschlußelementes befestigt ist, beispielsweise eines Planschrohres 13. Das letztere ist mit seinem anderen Ende.mit einem an sich bekannten Spektralapparat, z.B. einem Spektrograp'hen 14, verbunden.

Die Vorrichtung 10 ist das wesentliche Organ der Erfindung.

Sie umfaßt ein langgestrecktes, dichtes Gehäuse 15 mit einer Anschlußöffnung 16, an der eine (nicht dargestellte) Einrichtung zur Kontrolle und Regulierung der im Inneren des Gehäuses 15 herrschenden Atmosphäre angeschlossen werden kann. Man kann auf diese V/eise z.B. das Gehäuse 15 evakuieren oder auch unter einem bestimmten Druck eines Gases halten, welches für bestimmte Wellenlängen durchlässig ist (Stickstoff, Argon, Helium, etc.).

Der Faltenbalg 9 ist an der Stirnwand 11 um eine Einlaßöffnung 17 herum befestigt, die durch ein Material der gewünschten optischen Durchlässigkeit verschlossen ist, beispielsweise durch eine Quarzscheibe 18.

Außerdem liegt innerhalb der Wand 11 ein Teil einer Kühlleitung 11a, die an ein Flüssigkeits-Zirkulationsnetz angeschlossen ist. Ferner ist in der Wand 11 ein Kanal 11b vorgesehen, der außerhalb des Gehäuses 15 durch eine ringförmige Öffnung in der Nähe der Quarzscheibe 18 ausmündet und mit dem Innenraum des Faltenbalgesfin Verbindung steht. Der Kanal lib ist mit einer Druckgasquelle verbunden. Auf diese Weise kann man einen dauernden Gasstrom aufrechterhalten, der von der

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Einlaßöffnung 17 ausgeht und durch den Faltenbalg 9 hindurch in den Ofen 1 gerichtet ist.

Das Rohr 13 ist an der Rückwand 12 um eine erste Auslaßöffnung 19 herum befestigt. Diese Auslaßöffnung kann beispielsweise durch eine der Scheibe 18 entsprechende Quarzscheibe verschlossen sein oder auch - wie im dargestellten Ausführungsbeispiel - durch einen optischen Kondensor 20, der im Rohr 13 befestigt ist.

Ferner besitzt das Gehäuse 15 eine zweite, seitliche Auslaßöffnung 21, die durch eine Quarzscheibe 22 verschlossen ist.

Das im Inneren des Gehäuses 15 angeordnete optische System umfaßt folgende Teile:

Ein Eingangsspiegel 23, der im vorliegenden Fall ein Konkavspiegel mit einer Vergrößerung von 1 ist, wird so angeordnet, daß er ein aus dem gewählten Bereich des Lichtbogens 8 herkommendes Lichtbündel auffängt;

ein Planspiegel 24 empfängt das vom Spiegel 23 reflektierte Lichtbündel;

ein Planspiegel 25 mit einer Mittelöffnung 26 ist im Weg des vom Spiegel 24 reflektierten Bündels angeordnet und wird im folgenden auch Trennspiegel genannt.

Wie aus der die Fig. 1 ergänzenden Fig. 2 hervorgeht, ist der Eingangsspiegel 23 in seiner Lage bezüglich zweier zueinander senkrechter Achsen regelbar. Im dargestellten Ausführungs-

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beispiel ist der Spiegel 23 auf einem biegsamen Stab 27 an einem bestimmten Punkt seines ümfanga abgestützt. Ein starrer Stab 28, der an einem gegenüberliegenden Punkt befestigt ist, verbindet den Spiegel mit einem Permanentmagneten 29, der so angeordnet ist, daß er sich im Inneren einer Spule 30 hin- und herbewegen kann. Die Spule 30 ist im Inneren des in Fig. nicht eingezeichneten Gehäuses 15 abgestützt. Die zuletzt beschriebene Anordnung bildet, einen Korrekturmechanismus für die Stellung dee Eingangsspiegels 23. Eine identische Anordnung, die in einer anderen Ebene angeordnet und an einem anderen Punkt mit dem Spiegel 23 verbunden ist, gestattet eine Korrektur der Spiegelstellung bezüglich einer anderen Achse. Der Spiegel kann beispielsweise auch auf einem Gelenk anstatt auf dem biegsamen Stab 27 befestigt sein.

Gegenüber dem Spiegel 25 ist ein Plänspiegel 31 vorgesehen, der einer Linse 32 und einem Steuerorgan 33 zugeordnet ist. Das Steuerorgan 33 enthält einen Strahlungsempfänger und ist mit dem Regelmechanismus für die Stellung des Eingangsspiegels 23 verbunden.

Bei der dargestellten Ausführungsform umfaßt das Steuerorgan zwei Gruppen von je zwei Fotozellen 3^* 35» die jeweils paarweise in aufeinander senkrecht stehenden Richtungen einander gegenüberliegen. In Fig. 2 ist lediglich eine einzige Gruppe von Fotozellen sichtbar. Die Fotozellen 3*1, 35 einer Gruppe sind jeweils mit einem Differentialverstärker 36 verbunden, dessen Ausgang an einen Leistungsverstärker 37 angeschlossen ist. Der Ausgang des letzteren ist einerseits mit dem Korrekturmechanismus verbunden, im vorliegenden Fall der Spule 30.

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19.

Die an Hand der Pig. 2 beschriebene Anordnung könnte auch im Inneren des Gehäuses 15 angeordnet sein. Im Fall der Fig. 1 ist sie jedoch außerhalb des Gehäuses vorgesehen, wobei der Spiegel 31» wie dargestellt, der zweiten Auslaßöffnung 21 des Gehäuses 15 gegenüberliegt.

Der in Fig. 1 dargestellte Spektrograph 14 wird im einzelnen nicht beschrieben, da es sich hierbei um einen klassischen, an sich bekannten Apparat handeln kann. Ein solcher Spektrograph besitzt einen "Beleuchtungspunkt" 38, wo gewöhnlich ein elektrischer Lichtbogen erzeugt wird, wenn es sich darum handelt, eine Probe eines festen Metalls zu analysieren. Ferner weist der Spektrograph eine Einlaßöffnung 39 und einen Eintrittsspalt 40 auf.

Unter dem Ausdruck "Beleuchtungspunkt" des Spektrographen versteht man diejenige Stelle, wo gewöhnlich die Atome der zu analysierenden Materie mit Hilfe eines Lichtbogens oder auf andere Weise angeregt werden.

Wie in Fig. 1 dargestellt, befindet sich der Beleuchtungspunkt 38 im inneren des Gehäuses 15,und der dichte Verschluß der ersten Auslaßöffnung 19 wird durch den Kondensor 20 gewährleistet. Diese Anordnung ist jedoch nicht obligatorisch. Der Beleuchtungspunkt könnte auch außerhalb des Gehäuses 15 liegen, beispielsweise jenseits der ersten Auslaßöffnung 19· In diesem Fall müßte das Rohr 13 allerdings länger sein. Außerdem könnte man auch eine Quarzscheibe in der Auslaßöffnung 19 anordnen. Der dargestellte Aufbau wird jedoch bevorzugt, weil er die Verwendung einer zusätzlichen Quarzscheibe vermeidet und den Beleuchtungspunkt 38 des Spektrographen in die Atmosphäre des Gehäuses 15 verlegt. s

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Anschließend wird die Wirkungsweise der Vorrichtung 10 erläutert.

Nachdem ein elektrischer Lichtbogen 8 an der Oberfläche eines geschmolzenen Metalls ausgebildet'ist, wird die Vorrichtung 10 so angeordnet, daß der Eingangsspiegel 23 durch die Einlaßöffnung 17 hindurch ein Lichtbündel empfängt, das von einem Bereich des Lichtbogens ausgeht, der für eine Spektralanalyse geeignet ist. (Wenn in der vorliegenden Beschreibung von einem Lichtbündel die Rede ist, so fallen unter diesen Ausdruck selbstverständlich auch Wellenlängen, die außerhalb des sichtbaren Spektrums liegen.)

Der Spiegel 23 reflektiert unter Vermittlung des Spiegels 24 ein Lichtbündel auf den Spiegel 25, welcher seinerseits die empfangene Strahlung in einen Hauptteil 4l und einen sekundären Teil 42 aufteilt. Der sekundäre Teil 42 tritt durch die zweite Austrittsöffnung 21 aus und wird vom Spiegel 31 reflektiert. Mit dem reflektierten Licht wird unter dem Einfluß der Linse 32, die vorzugsweise eine einstellbare Brennweite besitzt, ein reelles Bilddss Lichtbogens 8 an der Kreuzungsstelle der vier Fotozellen 34, 35 erzeugt. Wenn sich der Bogen 8 verschiebt, verschiebt sich auch das durch die Linse 32 erzeugte Bild; die relative Erhellung der Fotozellen wird infolgedessen modifiziert,und der Differentialverstärker 36 liefert ein Korrektursignal. Das Korrektursignal bewirkt eine Intensitätsänderung des Stromes, welcher die Spule 30 durchfließt. Daher verändert sich die Lage des Magneten 29 und damit auch diejenige des Eingangsspiegels 23 derart, daß der Spiegel immer ein Lichtbündel empfängt, das aus demselben, vorher gewählten Bereich des Lichtbogens 8 stammt.

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Der Hauptteil ¹H der vom Spiegel 23 herrührenden Strahlung liefert ein weiteres reelles Bild des ßogens 8 am Beleuchtungspunkt 38 des Spektrographen. Es ist darauf hinzuweisen, daß man für die Spektralanalyse den mittleren Teil des vom Eingangsspiegel 23 empfangenen Strahlenbündels beibehält, während man einen weniger homogenen und stärker gestörten, ringförmigen Anteil dazu benutzt, die Lage dieses Spiegels zu korrigieren.

Es ist wesentlich, daß das zur Analyse ausgenutzte Strahlenbündel möglichst wenig Brechungen und Reflexionen zwischen dem Lichtbogen 8 und dem Spektrographen I²J erfährt, üie Erfindung zeichnet sich durch bemerkenswerte Einfachheit der verwendeten Mittel aus, um das von einer bestimmten Region des Lichtbogens 8 ausgehende Strahlenbündel zu empfangen und mit möglichst wenig Veränderung weiterzuleiten.

Man könnte natürlich weitere Spiegel hinzufügen, um den Weg des Lichtbündels zu verlängern und so den Spektrographen vom Ofen weiter entfernt aufstellen, beispielsweise indem man nacheinander verschiedene Zwischenbilder erzeugt, bevor das letzte Bild zum Spektrographen gelangt. Dennoch ist man bestrebt, die Zahl der Zwischenbilder weitgehend zu besenränken. Der Planspiegel 2k könnte auch durch einen Trennspiegel ersetzt werden, der einen reflektrierenden Mittelteil und einen diesen Mittelteil umgehenden, ringförmigen, offenen Abschnitt umfaßt. Der Hauptteil 21 der Strahlung würde dabei direkt zum Beleuchtungspunkt 38 gelangen, wie dies in Pig. I der Fall ist, während der sekundäre Teilfaxesen Spiegel durchdringen und außerhalb des Gehäuses 15 von einem oder mehreren anderen Spiegeln reflektiert würde.

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Diese abgewandelte Ausführungsform, die der dargestellten Ausführung äquivalent ist, macht es evident, daß der mit einem planen "Trennspiegel" kombinierte, orientierbare Eingangsspiegel 23 das wesentlicne Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist.

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In der Praxis kann man in vielen Fällen, BObald die Temperatur des geschmolzenen, zu analysierenden Metalls einen höheren Wert erreicht, die Vorrichtung 10 allein nicht mehr benutzen. Man muß sie dann mit dem Ofen 1 unter Zuhilfenahme des Faltenbalgs 9 verbinden. Man läßt ferner kaltes Wasser in der Kühlleitung 11a zirkulieren und drückt ein unter Druck stehendes Gas in den Kanal 11b ein. Dieses Gas wird in Abhängigkeit von seiner Durchlässigkeit für die betreffenden Wellenlängen ausgewählt. Das nämliche gilt auch für das Gas, welches man in das Innere des Gehäuses 15 einbringt. Das in den Kanal üb eingeführte Gas durchquert den Faltenbalg 9 und dringt in den Ofen 1 ein, in welchem es sich ausbreitet/ Man verwirklicht auf diese Weise eine kontrollierte Atmosphäre zwischen dem Lichtbogen 8 und der Einlaßöffnung 17. Gleichzeitig drängt man dabei die Metalldämpfe zurück, welche das Bestreben haben, sich auf der Quarzscheibe 18 niederzuschlagen. Die Quarzscheibe 18 kann mit einer Verschlußblende ausgerüstet werden, die die Scheibe schützt, wenn die Vorrichtung nicht in Betrieb ist.

Es ist von Vorteil, wenn das Anschlußglied zwischen dem Ofen 1 und der Vorrichtung 10 beträchtliche Temperaturdifferenzen aushalten kann und auch in seitlicher und Längsrichtung ziemlich leicht verformbar ist. Man kann auf diese Weise eine erste Zentrierung des EingangsspiegelB 23 bezüglich des elektrischen Lichtbogens erreichen, indem man die Gesamtheit von Spektrograph 1*4 und Vorrichtung 10 verschiebt, wobei man die Biegsamkeit des Faltenbalgs 9 ausnutzt. Die Winkelamplitude der Stellungsregulierung des Spiegels 23 -fet nämlich ziemlich beschränkt.

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Indem man wie eben beschrieben verfährt, gelangt man zu einem weiteren Aspekt der Erfindung, welcher in einer kompletten Apparatur seinen Ausdruck findet, die vom Ofen 1 bis zum Spektrographen 14 reicht. Diese Apparatur kann zahlreiche Abwandlungen erfahren, je nach dem betreffenden Anwendungsfall. Die Fig. 3 zeigt hierfür ein Beispiel. In Fig. 3 ist eine tatsächlich benutzte Ausführungsform dargestellt, bei der entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen sind.

Fig. 3 zeigt die Ausbildung der Wand 11 mit der Kühlleitung 11a und dem Kanal 11b. Weiterhin erkennt man in Fig. 3» wie der äußere Spiegel 31 in der gewünschten Schräglage auf der Basis einer Hülle .43 befestigt ist, die ihrerseits entlang dem Gehäuse 15 angeordnet ist.

Der Hauptunterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 besteht darin, daß der Ofen in Fig. 3 kleiner ist und der Faltenbalg 9 nicht direkt an der Ofenwand 2, sondern an einer Zwischenabstützung

44 befestigt ist, die ebenfalls durch eine innere Wasserzirkulation gekühlt ist. Die Zwischenabstützung 44 nimmt unter Vermittlung von Schrauben und Verbindungen ein düsenartiges Mundstück

45 auf, welches die Verbindung mit der seitlichen öffnung 3 de3 Ofens 1 herstellt. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird angenommen, daß die Abstützung 44 an die Außenseite der Ofenwand angepaßt ist, dessen Element 2 die Innenseite ist, während das Mundstück 45 die seitliche öffnung 3 begrenzt, die in dieser Wand ausgespart ist. Bei einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung, die sich insbesondere für leichte Legierungen und für Wellenlängen oberhalb 2000 A eignet, läßt man das Rohr 13 (Fig. 1) fort und verwendet als Anschlußelement 13 ein lichtleitendes "optisches Kabel", das in an sich bekannter Weise aus einzelnen lichtleitenden Fasern besteht. Das eine Ende

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dieses optischen Kabels wird am Beleuchtungspunkt 38 des Spektrographen angeordnet. Dem anderen Ende des lichtleitenden Kabels gibt man einen Querschnitt in Form eines langgestreckten Rechteckes, dessen Form an den Eintrittsspalt ¹JO des Spektrographen angepaßt ist und befestigt das Kabel in dieser Form am Spalt. Die Dichtigkeit des Gehäuses 15 läßt sich leicht erhalten, wenn man das optische Kabel mit Hilfe einer Druckdichtung bei seinem Durchtritt durch die erste Auslaßöffnung 19 abdichtend festklemmt.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung gewinnt man gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 an Helligkeit. Bei elementaren lichtleitenden Fasern von etwa 15 mü Durchmesser lassen sich diese in einer einzigen Linie anordnen und am Eintrittspalt befestigen. Die Grenze der Anwendbarkeit auf Wellenlängen oberhalb 2000 A geht auf die gegenwärtig verfügbare Art der optischen Fasern zurück; neue Materialien können die Anwendbarkeit der Erfindung erweitern. Auf jeden Fall kann man sich mit der angegebenen Beschränkung hinsichtlich der Wellenlänge bereits lichtleitender Kabel von mehreren Metern Länge bedienen, wodurch es möglich ist, nötigenfalls den Spektrographen 14 noch weiter von der Vorrichtung 10 zu entfernen.

Im Voranstehenden wurde eine seitliche Öffnung des Ofens benutzt. Die Erfindung ist jedoch auf diese Anordnung nicht beschränkt. Bei einer Abwandlung könnte man auch eine oben gelegene Öffnung des Ofens benutzen, durch welche hindurch man ein optisches Rohr (mit Spiegeln u. dgl. nach Art eines "Periskopes") einführt. Das Rohr wird so angeordnet, daß es ein vom Lichtbogen ausgehendes Strahlenbündel aufnimmt» und nach oben und anschließend derart zur Seite reflektiert, daß wieder die zuvor beschriebene Situation, jedoch nun in einem höheren Niveau, vorliegt. Ebenso wie die seitliche Öffnung de3 Ofens wird dieses optische Rohr von einem Strom eines unter Druck stehenden Gases durchflossen.

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Im Nachstehenden werden einige Resultate angegeben, die mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 3 erzielt wurden. Die Menge an geschmolzenem Metall betrug etwa 3 Kg, der Spektrograph war von klassischer Bauart und in einem Wellenlängenbe- > reich zwischen etwa 1700 und 3700 A anwendbar.

Die bei der Analyse des flüssigen Metalls erhaltenen Resultate sind in die nachstehende Tabelle eingetragen und können dort mit den Resultaten einer Analyse des gleichen Metalls im festen Zustand verglichen werden, wobei diese letztere Analyse mit dem gleichen Spektrographen unter Anwendung der klassischen Lichtbogentnethode ausgeführt wurde.

Die Ergebnisse sind in Form des in dem einen und anderen Fall erhaltenen relativen Fehlers ausgedrückt, und zwar mit Bezug auf den durch eine chemische Analyse gemessenen Gehalt.

Element Gehalt in %

Analyse am flüssigen Analyse am festen Metall; relativer Metall j relativer Fehler in % Fehler in %

C	0,1 -	0,	7	VJl
C	2-5			5
S	0,03 -	0	,1	5
P	0,08 -	0	,15
Si	0,03 -	0	,3	3

1-2

(Analyse nicht ausführbar)

0,5 - 2

Aus der Tabelle ergibt sich, daß lediglich für einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,1 und 0,7 % und für Phosphor der durch die Anwendung der Erfindung gemachte Fehler merklich größer als bei der der^ektralanalyee des massiven Metalls gemachte Fehler istj jedoch haben diese Fehler (5 % und k %) in der Praxis noch akzeptable Werte.

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Aus der Tabelle entnimmt man auch, daß für einen höheren Anteil an Kohlenstoff (2 bia 5 K) die Spektralanalyse am festen Metall nicht mehr möglich ist, und zwar aufgrund der Tatsache, daß der Lichtbogen vorzugsweise seinen Weg über den Kohlenstoff nimmt. Diese nachteilige Erscheinung tritt in dieser Weise bei der Schmelzflußanalyse des Metalls nicht auf, so daß die Erfindung es in diesem Fall ermöglicht, eine Analyse auszuführen, die von der klassischen Spektralanalyse nicht durchgeführt werden kann.

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Patentansprüche

rl J Vorrichtung zur Weiterleitung eines von einem ausgewählten Bereich eines elektrischen, in einem Bereich hoher Temperatur, insbesondere in einem ein geschmolzenes Metall enthaltenden Ofen erzeugten Lichtbogens emittierten Strahlenbündels zu einem .Spektralapparat mit Beleuchtungspunkt, Eingangsöffnung und Eintrittsspalt, dadurch gekenn zeichnet, daß ein abgeschlossenes Gehäuse (15) eine mit einer Einrichtung zur Regulierung der im Gehäuse herrschenden Atmosphäre verbindbare öffnung (16) besitzt, ferner eine durch ein strahlendurchlässiges Material (18) verschlossene Einlaßöffnung (17) für das Strahlenbündel sowie eine erste Auslaßöffnung (19) für einen Hauptteil (41) des Strahlenbündels, die durch ein abgedichtetes Anschlußelement (13) mit der Hngangsöffnung (39) des Spektralapparates (I¹O verbunden ist, daß ferner ein im Innern des Gehäuses (15) angeordnetes, im Beleuchtungspunkt (38) des Spektralapparates (14) ein reelles Bild des ausgewählten Lichtbogenbereiches (8) erzeugendes optisches System mindestens einen das Strahlenbündel reflektierenden Eingangsspiegel (23) umfaßt, dessen Stellung bezüglich wenigstens einer Achse regelbar ist, und ein weiterer, mit einer öffnung (26) versehener Spiegel (25) das Strahlenbündel in den zum Spektralapparat (14) gelangenden Hauptteil (41) und in einen sekundären Teil (42) aufteilt, sowie daß mit dem Eingangsspiegel (23) ein Mechanismus (29> 30) zur Stellungsregelung dieses Spiegels verbunden ist, und dem Mechanismus (29, 30) ein Steuerorgan (33) mit einem im Weg des sekundären Teils (42) des Strahlenbündels gelegenen Strahlenempfänger (34, 35) zugeordnet ist, der die Stellung des Eingangsspiegels (23) in Abhängigkeit von der empfangenen Strahlungsintensität regelt. '

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse (15) den Beleuchtungspunkt (38) des Spektralapparates (14) sit umschließt, und daß das Anschlußelement (13), das die erste Auslaßöffnung (19) des Gehäuses mit der Eingangsöffnung (39) des Spektralapparates (I¹O verbindet, als abgedichtetes Rohr ausgebildet ist und einen optischen Kondensor erhält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Anschlußeleeent (13) ein lichtleitendes, optisches Kabel ist, das sich zwischen dem Gehäuse (15) und dem Spektralapparat (1*1) erstreckt.

¹J. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das lichtleitende optische Kabel mit seinem einen Ende am Beleuchtungspunkt (38) dee Spektralapparates (I¹I) und mit seinem anderen Ende, das eine dem Spalt (¹IO) des Spektralapparates angepaßte rechteckige Form besitzt, an diesem Spalt (¹IO) befestigt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis ¹I, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse (15) eine zweite, durch ein strahlendurchlässiges Material (22) verschlossene Auslaßöffnung (21) für den sekundären Teil (*I2) des Strahlenbündels aufweist und das Steuerorgan (33) "»it dem Strahlenempfänger (3¹I, 35) außerhalb des Gehäuses (15) angeordnet ist, während der Mechanismus (29, 30) zur Stellungsregelung des Eingangsspiegels (23) sich im Innern des Gehäuses (25) befindet,

6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan (33) eine imWeg des sekundären Teils (42) des Strahlenbündels gelegene Linse (32) umfaßt, die wenigstens von einem

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Teil des elektrischen Lichtbogens ein Bild in einer Ebene entwirft, in welcher wenigstens zwei Fotozellen (3¹J₅ 35) einander gegenüberliegend angeordnet sind, und daß diese Fotozellen (3¹U 35) elektrisch mit dem Mechanismus (29, 30) zur Stellungsregelung des Eingangsspiegels (23) verbunden sind.

7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mechanismus (29, 30) zur Stellungsregelung des Eingangsspiegels (23) eine mit dem die Fotozellen (3¹*, 35) enthaltenen Stromkreis verbundene Spule (30) umfaßt, in deren Innerem ein Permanentmagnet (29) hin- und herbeweglich ist, und daß der Eingangsspiegel (23) einerseits über einen Stab (28) mit dem Permanentmagnet (29) verbunden und andererseits an einem biegsamen Stab (27) gehalten ist.

8. Vorrichtung nach einem der voranstehendenAnsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsspiegel (23) um wenigstens zwei zueinander senkrechte Achsen beweglich ist, und zwei Gruppen aus je zwei Fotozellen (3*J, 35) in zwei zueinander senkrechten Richtungen einander gegenüberliegen, und daß jeweils einer von zwei Mechanismen (29». 30) zur Stellungsregelung des Eingangsspiegels (23) mit jeweils einer Gruppe von Fotozellen (3¹*» 35) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsspiegel (23) ein Konkavspiegel mit einer Vergrößerung von im wesentlichen gleich eins ist, und ein erster Planspiegel (2¹O das vom Eingangsspiegel (23) auf ihn reflektierte Licht in Richtung auf die erste Auslaßöffnung (19) des Gehäuses (15) und den Beleuchtungspunkt (38) des Spektralapparates (I¹O

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zurückwirft, und daß im Wege dieser zurückgeworfenen Strahlung der die Öffnung (26) aufweisende, blau ausgebildete Spiegel (25) angeordnet ist, der das Strahlenbündel in den Hauptteil (Hl) und den sekundären Teil (42) aufteilt.

10. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie über ein hohles Anschlußglied (9) mit einer Öffnung (3) in der feuerfesten Wand (2) des das geschmolzene Metall (¹O enthaltenden Ofens (1) verbunden ist, in dem mittels eines Generators (5) ein elektrischer Lichtbogen (8) zwischen einer Elektrode (7) und der Oberfläche des geschmolzenen Metalls (¹O erzeugt wird, und daß das Anschlußglied (9) mit seinem gegenüberliegenden Ende mit der Einlaßöffnung (17) des Gehäuses (15) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe dee die Einlaßöffnung (17) des Gehäuses (15) verschließenden, strahlendurchlässigen Materials (18) in der die Einlaßöffnung (17) enthaltenden Gehäusewand (11) wenigstens eine in das Innere des Anschlußgliedes (9) mündende Öffnung vorgesehen ist, die mit einem Kanal (üb) verbunden ist, und daß dieser Kanal (lib) seinerseits mit einer Druckgasquelle derart verbunden ist, daß - ausgehend vom Umfang der Einlaßöffnung (17)-ein permanenter Gasstrom durch das Anschlußglied (9) hindurch in das Innere des Ofens (1) gerichtet ist.

12. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die

die Einlaßöffnung (17) enthaltende Wand (11) des Gehäues (15)

wenigstens im Bereich der Einlaßöffnung (17) eine innere

Kühlleitung (lla) aufweist, durch welche ein Kühlmittel fließt.

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13. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzei chh net, daß
die am Ofen (1) vorgesehene Austrittsöffnung (3) für das Strahlenbündel an einer oberen Wand des Ofens vorgesehen ist, und durch diese Öffnung hindurch ein hohles und abgedichtetes optisches Rohr eingeführt ist, das mit seinem freien Ende mit der Einlaßöffnung (17) verbunden und von einem' Strom unter Druck stehenden Gases durchflossen ist.

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