-
Verfahren und Vorrichtung zur Entnahme und zur spektralana-
-
lytischen Untersuchung von metallischen Proben Die Erfindung betrifft
Verfahren zur Entnahme und zur spektralanalytischen Untersuchung von metallischen
Proben, die im flüssigen Zustand metallischen Schmelzen entnommen werden sowie Vorrichtungen
zur Durchführung dieser Verfahren.
-
Unter metallischen Proben sind im folgenden zu verstehen: Roheisenproben,
die als Löffelproben entnommen werden, ferner Tauchproben, die Konvertern, Elektroöfen,
Induktionsöfen u. dgl. während der Stahlerzeugung entnommen werden sowie auch metallische
Proben aus Nichteisenmetallen.
-
Metallische Proben sind bekanntlich bei der Erschmelzung erforderlich,
um die Zusammensetzung der jeweiligen Charge bestimmen zu können. Bei der Stahlherstellung
sind Proben erforderlich, um gegebenenfalls eine Temperaturkorrektur vornehmen oder
noch gewisse Legierungsbestandteile zugeben zu können. Konverter müssen zu diesem
Zweck in die Chargierstellung gebracht werden, anschließend werden mittels Tauchlanzen
Tauchproben entnommen.
-
Diese metallischen Proben werden abgekühlt, anschließend wird ihre
Oberfläche blank geschliffen und auf Haarrisse und Lunker geprüft. Bei einwandfreier
Oberfläche werden diese Proben in Spektrographen spektralanalytisch untersucht,
indem zwischen der Oberfläche einer Probe (Prüffläche?
und einer
Gegenelektrode Funkenspektren erzeugt werden, die auf ein Gitter abgebildet und
ausgewertet werden. Die fntensitäten der Linien sind ein Maß für die Gewichtsanteile
der einzelnen Komponenten in der Schmelze.
-
Das Abkühlen der Proben soll schnell erfolgen, damit keine Entmischung
der Komponenten erfolgen kann, die zu einer falschen Analyse führt. Aus diesem Grunde
werden Proben durch Eintauchen in ein Kühlmedium, im allgemeinen Wasser, abgekühlt
bzw. abgeschreckt. Hierbei bilden sich durch den stets vorhandenen atmosphärischen
Sauerstoff Zunderschichten. Eine spektralanalytische Untersuchung setzt jedoch voraus,
daß zur einwandfreien Erzeugung und Abbildung eines Funkenspektrums die Prüfflächen
eben und zunderfrei sind. Aus diesem Grunde müssen die herkömmlich gezogenen Proben
zunächst abgeschliffen werden. Die abgeschliffenen blanken Oberflächen (Prüfflächen)
werden anschließend einer visuellen Prüfung unterzogen. Damit das Funkenspektrum
ordnungsgemäß auf das Gitter abgebildet wird, ist es weiterhin erforderlich, daß
die Prüfflächen weder Haarrisse noch Lunker aufweisen. Vielfach sind jedoch die
Haarrisse und Lunker so klein, daß sie auch vom Fachpersonal mit großer fachlicher
Erfahrung übersehen werden können.
-
Ein visuelles Erkennen scheidet auch dann aus, wenn die Lunker dicht
unterhalb der geschliffenen Fläche verlaufen, wobei ihr Abstand so gering sein kann,
daß die Funkenentladungen durch die visuell einwandfreie Oberfläche in die Lunker
durchschlagen können. Die Lunker können noch aus anderen Gründen zu einer fehlerhaften
Analyse führen: Lunker entstehen bekanntlich dadurch, daß Proben Gasblasen enthalten
können, die während des Abkühlens zu Hohlräumen führen. Während des Abkühlens können
Gase chemische Reaktionen auslösen,
wodurch das Analyseneryebnis
ebenfalls verfälscht wird. Weiterhin kann die Lunkerbildung zur Folge haben, daß
die lokale Materialzusammensetzung von der durchschnittlichen Zusammensetzung der
Materialprobe abweicht, wodurch eine wesentliche Voraussetzung für die Durchführung
einer ordnungsgemässen Analyse entfällt. Es ist deshalb eine große Erfahrung für
die Beurteilung erforderlich, ob die spektralanalytischen Werte die Zusammensetzung
der Schmelze anzeigen oder nicht.
-
Falls eine fehlerhafte Analyse nicht auszuschließen ist bzw.
-
eine fehlerhafte Analyse vorliegt, muß von neuem eine Probe gezogen
und damit die gesamte Analyse wiederholt werden. Dieser Aufwand ist somit erheblich.
Beim Konverterbetrieb ist eine mehrmalige Analyse darüber hinaus nicht möglich.
Im allgemeinen stehen für die Analyse maximal 10 Minuten zur Verfügung, innerhalb
derer die Probe zu ziehen, abzukühlen, zu schleifen und spektralanalytisch zu untersuchen
ist.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,- ein Verfahren zur Entnahme
und zur spektralanalytischen Untersuchung von metallischen Proben, die im flüssigen
Zustand metallischen Schmelzen entnommen werden, anzugeben, das eine eventuelle
Wiederholung des gesamten Analysenganges, d. h. beginnend mit einer erneuten Probenentnahme,
nicht erfordert.
-
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Lösungsprinzip dadurch gelöst,
daß während der Entnahme einer metallischen Probenmenge auf einem Probenträger mehrere
Teilproben erzeugt werden, die Teilproben auf dem Probenträger nacheinander spektralanalytisch
untersucht werden, die Analysenwerte der Teilproben miteinander verglichen und bei
einer Abweichung der Aalysenwerte einiger Teilproben von den Analysenwerten der
Mehrzahl der Teilproben die Analysenwerte dieser einigen Teilproben verworfen werden.
-
Gemäß einem zweiten Lösungsprinzip werden während der EntnAhme einer
metallischen Probenmenge auf einem Probenträger mehrere Teilproben erzeugt, die
Teilproben auf dem Probenträger gleichzeitig spektralanalytisch untersucht, die
Analysenwerte der Teilproben miteinander verglichen, wobei bei Abweichung der Analysenwerte
einiger Teilproben von den Analysenwerten der Mehr zahl der Teilproben die Analysenwerte
dieser einigen Teilproben verworfen werden.
-
Erfindungswesentlich ist hierbei, daß auf dem Probenträger durch die
Probenmenge während der Entnahme gleichzeitig mehrere Teilproben erzeugt werden,
so daß hinsichtlich Zusamniensetzung und Entstehen für diese Teilproben die identischen
Parameter vorliegen. Im Prinzip werden diese Proben dadurch erzeugt, daß erfindungsgemäß
in dem in eine Schmelze eintauchenden Endabschnitt einer Lanze anstelle einer Tauchkokille
als Probenträger eine Platte angeordnet ist, die mehrere durchgehende Bohrungen
aufweist. Die in den Endabschnitt einströmende Probenmenge dringt in die Bohrungen
ein und bildet Teilproben, die über die von der Schmelze abgewandten Seite des Probenträgers
kuppenartig vorstehen können.
-
Dadurch, daß durch die metallische Probenmenge sehr kleine Proben
erzeugt werden, kühlen diese Teilproben sehr schnell ab, so daß ein Entmischen der
einzelnen Komponenten nicht stattfinden kann. Darüber hinaus kann diese Entnahme
in einer inerten Atmosphäre erfolgen, so daß eine Zunderbildung auf der Oberfläche
der Proben von vornherein vermieden wird bzw. ist die Zunderschicht derart dünn,
das sie ohne weiteres von der Funkentladung durchschlagen wird. Der Probenträger
mit den Teilproben wird in einem Spektrographen (Quantometer) angeordnet.und sukzessive
derart bewegt, daß die Teilproben nach dem ersten Ausführungsprinzip nacheinander
in die Abfunkposition zur Gegenelektrode des Quantometers
gebracht
werden und die Funkenentladung ausgelöst und auf einem Gitter abgebildet wird. Die
Spektrallinien werden in an sich bekannter Weise ausgewertet und die Werte werden
gespeichert. Nachdem sukzessive sämtliche Teilproben spektralanalytisch analysiert
worden sind, werden die Analysenwerte miteinander verglichen. Falls innerhalb vorgegebener
Toleranzwerte die Analysenwerte einer oder mehrerer Proben von der Mehrzahl der
Proben abweichen, werden diese Analysenwerte im Speicher gelöscht und anhand der
ermittelten verbleibenden Analysenwerte die entsprechenden Eingriffe beispielsweise
im Konverterbetrieb vorgenommen. Der Probenträger ist im einfachsten Fall eine runde
Scheibe, deren Bohrungen auf einem Kreis unter gleichen Winkelabständen angeordnet
sind. Sie weist auf ihrer Unterseite im Bereich ihrer Achse eine Sackbohrung auf,
in die die Welle z. B. eines Schrittmotors eingeführt wird, der die Teilproben in
die Abfunkposition dreht. Gemäß dem zweiten Lösungsprinzip werden die Teilproben
nicht nacheinander, sondern gleichzeitig analysiert. Zu diesem Zweck ist eine der
Anzahl der Teilproben entsprechende Anzahl von Funkenstände vorgesehen, denen jeweils
ein entsprechendes Gitter zugeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, die spektralanalytische
Untersuchung der Teilproben eines Probenträgers gleichzeitig vorzunehmen.
-
und die Analysenwerte über eine Vergleichseinrichtung alle miteinander
zu vergleichen, wobei dann bei einer Abweichung der Analysenwerte einiger Teilproben
von den Analysenwerten der anderen Teilproben diese Analysenwerte verworfen werden.
-
Gemäß dem zweiten Verfahrensprinzip ist es auch möglich, an den Teilproben
eines Probenträgers gleichzeitig verschiedene spektralanalytische Untersuchungen
vorzunehmen, indem beispielsweise an der einen Teilprobe der Kohlenstoffgehalt und
an den anderen Mangan usw. bestimmt werden. In diesem Fall ist es jedoch erforderlich,
daß diese Teilproben von
vornherein einwandfreie Prüfflächen aufweisen.
In einer walX teren Ausgestaltung der Erfindung werden deshalb bei der abgewandelten
Durchführung dieses zweiten Verfahrensprinzips die Teilproben auf eine riss- und
lunkerfreie Prüffläche hin untersucht, wobei anschließend die riss- und lunkerfreien
Teilproben gleichzeitig spektralanalytisch untersucht werden.
-
In diesem Fall ist es dann vorteilhaft, falls fünf Funkenstände und
Gitter vorgesehen sind, Probenträger zu verwenden die mehr als fünf Bohrungen zur
Erzeugung von Teilproben auf weisen, damit nach dem Verwerfen von einer oder mehreren
Teilproben die gesamte spektralanalytische Untersuchung erfindungsgemaß in einem
Zuge durchgeführt werden kann.
-
Die Erzeugung der aufgrund ihrer Entnahme identischen Teilproben auf
dem Probenträger erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß der Probenträger in einer
Lanze angeordnet wird, diese in die metallische Schmelze eingetaucht wird, wobei
dann die in die Lanze einströmende Probenmenge in die Bohrungen strömt und auf dem
Probenträger die Teilproben erzeugt. Derartige Lanzen sind an sich bekannt und dienen
zur Entnahme von Tauchproben mittels Tauchkokillen. Diese Lanzen weisen an ihrem
in die Schmelze eintauchenden Endabschnitt eine Verschlußkappe auf, die durch die
Schmelze aufgeschmolzen wird. Die Probenmenge strömt dann in die Tauchkokille, aus
der dann die Tauchprobe entnommen, gekühlt und analysiert wird. Es zeigte sich jedoch,
daß bei diesen Proben ein Entmischen nicht in allen Fällen auszuschließen ist. Die
Einzelheiten sind noch nicht geklärt.
-
Erfindungsgemäß ist anstelle der Tauchkokille in dem Endabschnitt
der Probenträger z. B.'in Form einer Scheibe angeordnet, die mehrere Bohrungen aufweist.
Für die in den Endabschnitt der Lanze turbulent einströmende Probenmenge bildet
der Probenträger zunächst eine starre Wand, durch dessen
Bohrungen
unter erheblichem Strömungswiderstand und in turbulenter Strömung ein Teil der Probenmenge
einströmt und zum Teil im Bereich dieser Bohrungen auf dem Probenträger während
des Zurückziehens der Lanze Teilproben in Form von kleinen Kuppen erzeugt. Hierbei
kann die Anordnung des Probenträgers so erfolgen1 daß er nach dem Eindringen der
Probenschmelze in die Bohrungen in der Lanze zurückgezogen wird, so daß er kurzzeitig
in thermischem Kontakt mit der Probenmenge steht. Hierdurch wird erreicht, daß die
Probenmengen sich sehr schnell abkühlen. In dem Falle, daß die Lanze mit einem Inertgas
gespült wird, ist die Ausbildung von-Zunderschichten nicht möglich, so daß die Proben
ohne weitere Behandlung auf dem Probenträger spektralanalytisch untersucht werden
können. Der Probenträger kann beispielsweise aus einem Metall bestehen, das einen
höheren Schmelzpunkt hat als die Schmelze. Bei Stahlbädern ist es beispielsweise
möglich, Probenträger aus Wolfram zu verwenden. Statt dessen ist es auch möglich,
den Probenträger aus einem Keramikmaterial herzustellen. Nach der Entnahme der Probenträger
können die Kuppen soweit abgeschliffen werden, daß die Prüfflächen der Teilproben
in der Oberfläche des Probenträgers liegen. Falls die Kuppen eine einheitliche Höhe
aufweisen, ist ein Abschleifen zur Einhaltung definierter Abfunkbedingungen nicht
erforderlich, falls sie im wesentlichen zunderfrei sind, d. h. eventueller Zunder
von den Funken der Bogenentladung durchgeschlagen.wird.
-
Die Erfindung wird in der Zeichnung anhand von AusfUhrungsbeispielen
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Probenträgers in Draufsicht,
Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 schematisch im Schnitt
eine Lanze mit einem Probenträger und
Fig. 4 das Blockschaltbild
eines Spektrographen mit mehreren Gegenelektroden und mehreren Gittern.
-
In Fig. 1 und 2 ist mit 1 ein als Scheibe ausgebildeter Probenträger
bezeichnet, der vier durchgehende Bohrungen 2 aufweist, die unter 900 zueinander
kranzartig auf einem KreiS angeordnet sind. Gemäß Fig. 2 weist der Probenträger
auf seiner Unterseite einen Ansatz 3 mit einer Sachbohrung 4 auf.
-
Mittels dieser Sackbohrung wird der Probenträger auf die Achse 5 eines
Schrittmotors gesetzt, der unterhalb eines Petry-Tisches eines Quantometers angeordnet
ist und der die Teilproben nacheinander in die Abfunkposition zur Gegenelektrode
dreht. Petry-Tisch, Quantometer und Gegenelektrode sind, da an sich bekannt, nicht
dargestellt.
-
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch eine Lanze 7, in die ein Probenträger
1 derart eingesetzt ist, daß der Ansatz 3 in Richtung zu der an sich bekannten Verschlußkappe
8 zeigt, die in der Schmelze schmilzt, so daß die Probenmenge in die Lanze einströmt.
Sie gelangt zum Probenträger und dringt in die Bohrungen 2 unter gleichzeitiger
Erzeugung der Teilproben 9 ein. Der Probenträger wird der Lanze entnommen und auf
die Achse des Schrittmotors gesetzt. Die Teilproben werden nacheinander spektralanalytisch
untersucht. Die Meßwerte werden gespeichert und miteinander verglichen. Bei einer
Abweichung der Analysenwerte einer Teilprobe von den Analysenwerten der anderen
Teilproben werden die Analysenwerte dieser einen Teilprobe verworfen.
-
In Fig. 4 ist der Einfachheit halber ein Quantometer mit exfindungsgemäß
drei Gittern 11, 12 und 13 sowie drei, jeweils einem Gitter zugeordnete Gegenelektroden
dargestellt, die mit 14, 15 und 16 bezeichnet sind. Der nicht dargestellte Probenteller
weist Teilproben 17, 18 und 19 auf, die sich in Abfunkposition zur jeweiligen zugeordneten
Gegenelektrode
befinden. Die Funkenspektren werden gleichzeitig
erzeugt und über die nicht bezifferten Primärspalte auf die Gitter abgebildet, die
jeweils auf einem Rowlandkreis angeordnet sind.
-
Auf dem jeweiligen Rowlandkreis ist jeweils eine Blende 20 bzw. 21
bzw. 22 mit nicht bezifferten Bohrungen angeordnet, über die auf ebenfalls nicht
bezifferte Fotozellen die Spektrallinien abgebildet werden. Jeder Fotozelle ist
ein Integrationsglied nachgeschaltet. Jedes Integrationsglied besteht im wesentlichen
aus einem Kondensator, der während einer vorgegebenen Zeit durch den von der Fotozelle
abgegebenen Strom aufgeladen wird. Nach dieser vorgegebenen Zeit wird der Kondensator
von seiner zugeordneten Fotozelle getrennt, die 1adungsmenge bestimmt und ein dieser
Ladungsmenge proportionales Ausgangssignal von dem Integrationsglied abgegeben.
Diese Ausgangssignale werden ausgewertet und sind ein Maß für die Intensität der
jeweiligen Spektrallinien. Die Werte für jede Teilprobe werden gespeichert. Die
Werte jeder Teilprobe werden mit den Werten der anderen Teilproben verglichen. Bei
einer Abweichung der Werte einer Teilprobe von den Werten der anderen Teilproben
werden diese abweichenden Werte im Speicher gelöscht, d. h. die betreffende Teilprobe
wird verworfen. Dadurch, daß gleichzeitig mehrere identische Teilproben analysiert
werden, ist es nicht erforderlich, wenn eine oder zwei Teilproben hinsichtlich ihrer
Werte mit den Werten der Mehrzahl der Teilproben nicht übereinstimmen. In Fig. 4
sind lediglich drei Gitteranordnungen dargestellt. In der Praxis wird so verfahren,
daß im allgemeinen eine Gitteranordnung von fünf Gittern bzw. noch mehr gewählt
wird. Es liegt im Rahmen der Erfindung, beispielsweise mit der in Fig. 4 dargestellten
Anordnung von drei Gittern Probenträger mit z. B. sechs Teilproben zu untersuchen,
wobei jeweils drei Teilproben gleichzeitig untersucht werden. In diesem Falle wird
der Probenträger ebenfalls verschwenkbar angeordnet. Es liegt im Rahmen der Erfindung
beide Verfahrensprinzipien miteinander zu kombinieren, indem beispielsweise mit
einem
Quantometere das in Fig. 4 drei Gitter aufweist, lediglich
mit zwei Gittern gearbeitet wird.
-
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen stellen sicher, daß im Konverterbetrieb
die spektralanalytischen Analysen in extrem kurzer Zeit durchgeführt werden können,
ohne daß gegebenenfalls eine nochmalige Probenentnahme erforderlich ist.