DE3205580A1

DE3205580A1 - Vorrichtung und verfahren zur analyse von feuerfesten substanzen

Info

Publication number: DE3205580A1
Application number: DE19823205580
Authority: DE
Inventors: Robert F. Woodbridge Conn. Culmo
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1981-02-19
Filing date: 1982-02-17
Publication date: 1982-09-16
Also published as: JPH0342418B2; US4400354A; IT1150595B; JPS57153240A; DE3205580C2; IT8150039A0

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ANALYSE VON FEUERFESTEN SUBSTANZEN

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Elementenanalyse von Proben und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Analysieren von feuerfesten Substanzen.

Eine herkömmliche Sparte der Elementenanalyse von unbekannten Proben umfaßt die Oxidation der zu untersuchenden Proben und danach das Weiterleiten des

Probengases zu einer Meßzelle. Eine besonders schwie-15

rige Gruppe von Materialien für diese Analyse sind Materialien/ die als feuerfeste Materialien bekannt sind. Die Schwierigkeit besteht darin_r daß feuerfeste Materialien stabil im Festkörperzustand bei ziemlich hohen Temperaturen sind.

Nach dem Stande der Technik weisen Instrumente zum Analysieren von feuerfesten Materialien einen Induktionsofen auf, der dazu dient, die nötigen Temperaturen.

zur Oxidation dieser Substanzen zu erreichen. Gegenwär-25

tig verwendete öfen zur Analyse von feuerfesten Materialien sind so ausgelegt, daß sie Temperaturen in der Größenordnung von etwa 2000⁰C erreichen. Diese Instrumente sind für den beabsichtigten Zweck geeignet,

QQ sie sind jedoch groß, teuer und erfordern komplizierte Verbindungen für die Verarbeitung des Pr'obengases: Darüber hinaus sind diese Instrumente allein auf die Analyse von feuerfesten Materialien beschränkt und sind völlig ungeeignet zur Analyse von Substanzen, die bei wesentlich niedrigeren Temperaturen schmelzen oder oxidieren.

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Es.besteht daher ein Bedürfnis nach einem einzigen Instrument, das sowohl zur Analyse von nicht-feuerfesten Substanzen als auch von feuerfesten Substanzen geeignet ist/ ohne daß es mit dem Nachteil von hohen Kosten oder einem Verlust an Effektivität behaftet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Analyse von feuerfesten Substanzen zu schaffen, die auch an konventionelle Elementaranalysatoren anpaßbar ist.

Diese Aufgabe ist zumindest teilweise durch eine Vorrichtung gelöst, die ein Mittel zur lokalen Erhöhung der Temperatur der zu analysierenden Probe aufweist.

Weitere Aufgaben und Vorteile werden aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung deutlich.
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Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt (nicht maßstabsgetreu)

einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, 25

Fig. 2 einen Teilquerschnitt der in Fig. 1

gezeigten Vorrichtung, wobei der Schnitt längs der Schnittlinie 2-2

genommen ist.
30

Ein Elementenanalysator, der allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, weist einen Ofen 12, eine Inertgasträgerquelle 14, eine Reaktionsgasquelle 16 und eine Analysenzelle 18 auf. Wie in der Technik bekannt ist, wird eine typische Analyse einer Probe dadurch durchgeführt, daß eine Menge 20 der Probe aus-

gewogen wird und die Probenmenge 20 in ein Probengefäß 22 gebracht wird. Das Gefäß 22 besteht gewöhnlich aus Platin oder einem anderen Material, das bei ziemlich hohen Temperaturen, d.h. in der Größenordnung von ,. etwa 1000⁰C stabil und reaktionsträge ist. Das Gefäß wird dann in eine Quarzpfanne 24 gebracht, die dazu verwendet wird, das Gefäß 22 vom Rohreingang 26 in den Ofen 12 zu bringen. Vorzugsweise erfolgt diese Beförderung dadurch, daß ein Magnet (nicht dargestellt) außen ,Q entlang dem Eingangsrohr 26 geführt wird, wodurch durch Anwesenheit eines magnetischen Eisenkerns 28 in einem Ende der Quarzpfanne 24 diese in die gewünschte Position bewegt wird.

IQ Wenn sich die Pfanne 24 an der vorgesehenen Stelle befindet wird der Ofen 12 in Gang gesetzt, um die Probe 20 auf eine gewünschte Temperatur, bei der sie oxidiert wird, zu erhitzen, üblicherweise liegt die obere Temperaturgrenze von konventionellen Elementanalysatoren in der Größenordnung von etwa 1000⁰C. Während des Erwärmens strömt ein Inertgas durch den Ofen 12, wodurch das Probengas in eine Analysenzelle 18 geführt wird.

Die oben beschriebene Vorrichtung und das Verfahren sind im wesentlichen nicht zu gebrauchen, wenn beispielsweise eine Probe aus Siliziumkarbid analysiert werden soll. Siliziumkarbid sublimiert, d.h. zeigt einen Phasenübergang aus der Festkörperphase in die Dampfphase auf, ohne daß es den Flüssigphasenzustand annimmt, bei einer Temperatur von etwa 2200⁰C. Selbst wenn jedoch das Siliziumkarbid sublimiert ist, muß es noch dissoziiert werden, d.h. die Silizium und Kohlenstoffatome müssen getrennt werden, um analysiert werden zu können. Da eine solche Dissoziation im Bereich zwischen 3000⁰C und 4000⁰C stattfindet, ist die

oben beschriebene Vorrichtung und das oben beschriebene Verfahren ungeeignet. Die Ungeeignetheit resultiert nicht nur aus der oberen Temperaturgrenze für konventionelle öfen, d.h. 1000⁰C, sondern auch von der Tatsache, daß die Quarzpfanne 24 bei einer erhöhten Temperatur von etwa 1100 oder 1200⁰C aufweicht.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt auch ein Wärmeeinschlußteil 30 und Mittel 32 zum lokalen

2Q Erhitzen der Probe 20- Im Folgenden werden die Ausdrücke "lokal", "örtlich" oder "örtlich begrenzt" im Zusammenhang mit der Temperaturerhöhung der Probe 20 in dem Sinne verstanden, daß die Erhitzung am Ort der Probe, d.h. konzentriert lediglich auf den Bereich in oder ringsum die Probe 20 erfolgt. Das Wärmeeinschlußteil 30 ist in der bevorzugten Ausführungsform eine zylindrische Keramikröhre. Das Teil 30 kann aus purem Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkonoxid oder dgl. gefertigt sein und dient nicht nurdazu/iie örtliche Wärme, die durch die Mittel 32 erzeugt wird,einzuschließen, sondern dient auch zum Schutz der Pfanne 24 und des Ofens 12 vor den örtlich erzeugten hohen Temperaturen. Das Mittel 32 für die örtliche Temperaturerhöhung der Probe 20 ist vorzugsweise mindestens eine Schicht aus Metallpulver, die eine exothermische chemische Reaktion durchführen kann. In einem Beispiel wird eine einzige Zinnpulverschicht, die bei einer Temperatur von etwa 900⁰C in eine exotherme Reaktion übergeht, über die Probe 20 verteilt. Um die exotherme Reaktion zu erleichtern und zu beschleunigen und so eine örtliche Erhitzung der Probe 20 zu erzeugen, die durch die Reaktionswärme bei der Entstehung von Zinnoxid freigesetzt wird, wird eine Sauerstoffgasströmung von etwa 4 bis 6 1 pro Minute, vorzugsweise etwa 5 1 pro Minute durch das Teil 30 aus der Reaktionsgasquelle 16 geleitet. Die zylindrische Form des Teiles 30 ist

j^ somit insbesondere vorteilhaft, um die Sauerstoff gasströmung über der Probe 20 zu konzentrieren.

Alternativ zu der Verwendung eines Mittels 32, das nur P- aus einer einzigen Schicht aus pulverisiertem Zinn besteht, kann ein Mittel 32 mit mehr als einer Schicht aus pulverisiertem Metall verwendet werden. In diesem Fall wird eine erste Schicht 34 aus pulverisiertem Aluminium über der Probe 20 und eine zweite Schicht

^q 34 aus pulverisiertem Zinn über der ersten Schicht verteilt. Es wurde ermittelt, daß im Falle _r in dem pulverisiertes Aluminium verwendet wird, das Aluminium pulver in einer inerten, nicht oxidierenden Atmosphäre aufbewahrt werden muß, um die Bildung von Aluminiumoxid zu verhindern. Diese würde nachfolgend die Wirksamkeit des Aluminiumpulvers in jedem exothermisehen Prozeß verringern. Eine Alternative zur Verwendung von pulverisiertem Aluminium ist die Verwendung von pulverisiertem Magnesium. Vorteilhaft ist, daß pulverisiertes Magnesium nicht so leicht oxidiert wie Alümninium und die Aufbewahrung somit kein größeres Pro- ■ blem darstellt.

In jedem Fall erfordert jedoch die Verwendung der Mittel 32 im wesentlichen die Verwendung eines Aluminiumprobengefäßes 22 an Stelle eines gewöhnlichen Platingefäßes. Dieser Materialwechsel· wird vorzugsweise zuerst vorgenommen, da im Bereich der erhöhten Temperatur das Gefäß 22 zerstört würde. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß es wesentlich billiger ist ein Aluminiumgefäß statt eines Platingefäßes vorzusehen. Des weiteren spielt eine Rolle, daß bei der Verwendung von Aluminium das Material des Gefäßes an der exothermen Reaktion teilnehmen kann. 35

Nach einem besonderen Beispiel wird eine Probe 20 von etwa 1 bis 5 mg Siliziumkarbid präzise abgewogen und in ein Aluminiumprobengefäß 22 gebracht. Dann werden etwa 100 bis 150 mg Zinnpulver oder alternativ etwa 50 mg Aluminiumpulver und 50 mg Zinnpulver über

der Probe 20 verteilt. Im Falle, in dem die Aluminium/ Zinn-Kombination verwendet wird, sollte das Aluminiumpulver über die Probe 20 zuerst und dann das Zinnpulver über dem Aluminiumpulver verteilt werden. In jedem Fall ^q sollte jede Schicht die Probe 20 vollständig bedecken. Die Probenmenge variiert in Abhängigkeit von der zu analysierenden Substanz.

Das Probengefäß 22 wird danach in das Keramikrohr 30 gesetzt/ das auf die Quarzpfanne 24 geladen wird. Eine konventionelle Quarzpfanne kann leicht so modifiziert werden, daß sie das Rohr 30 aufnehmen kann. Eine solche Änderung erfolgt nach den üblichen Methoden der Herstellungstechnik.

Die Pfanne 24 wird dann in das Innere des Ofens 12 bewegt, der sodann in üblicher Weise geheizt wird. Für das Verfahren nach der Erfindung ist es unwesentlich, ob die Probe in einen vorgeheizten Ofen gebracht wird oder ob der Ofen nach dem Einführen der Probe 20 beheizt wird. Wie oben erwähnt, muß eine Sauerstoffströmung vorgesehen werden, nicht nur um die exotherme Reaktion zu erleichtern, sondern auch um diese zu beschleunigen. Die gewünschte Strömung kann in kon^- ventioneilen Geräten dadurch eingestellt werden, daß Sauerstoff von einer Quelle, die einen'Druck von etwa 50 bis 6O.p.s„i. (cirka 3,45 bar bis 4,13 bar) aufweist, verwendet wird. Die erzeugten dissoziierten und im wesentlichen zur gleichen Zeit oxidierten Gase, die aus dem oben beschriebenen Verfahren hervorgehen, werden in der üblichen Art und Weise analysiert.

Wenngleich die Erfindung hier unter Verwendung eines speziellen Ausführungsbeispieles beschrieben ist, sind zusätzliche Anordnungen und Modifikationen möglich. Die Beschreibung ist somit nur erläuternd jedoch nicht beschränkend. Der Gegenstand der Erfindung ist somit nur durch die beigefügten Ansprüche und deren vernünftige Interpretation und Erweiterungen bestimmt.

Claims

./PATENTANWALT E A. GRÜNECKER

DIPL-ING.

H. KINKELDEY

DFl-(NG

W. STOCKMAIR

DR.-INO. · AiE (CAlTECH)

THE PEEETJT-ETiIER CORPORATION x. Schumann

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Hain Avenue ρ. η. jako'b

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Forvialk,. Connecticut 06856 g. bezold

TT Ο Λ · - - ' OfIBERNWr-DlPL-CHBIiI.

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

PH 16

17. Februar 1982

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ANALYSE VON FEUERFESTEN SUBSTANZEN

PATENTAN S P R Ü C H E

Vorrichtung zur Oxidation einer feuerfesten Probe, gekennzeichnet durch: ein Wärmeeinschlußteil (30) , in dem die feuerfeste Probe (20) untergebracht werden kann, Mittel (32) zur örtlichen Erwärmung der feuerfesten Probe (20), um daraus ein dissoziiertes Gas zu bilden und Mittel zum Ingangsetzen der Mittel zum örtlichen Erwärmen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet . durch ein Mittel zur Beschleunigung der Oxidation.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Beschleunigung Sauerstoff gas ist.

TELEFON (OBB) 333882 TELEX OS-SSSao TELEGRAMME MONAPAT TELEKOPIERER

-st.""
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoffgas mit einer Durchsatzmenge zwischen 4 bis 6 1 pro Minute strömt.
§ 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Probenbehälter (22) , der die feuerfeste Probe trägt, wobei die Probe in das Wärmeeinschlußteil einsetzbar ist.
IQ 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (32) zur örtlichen Erwärmung aus einer exothermen Reaktion(smischung) bestehen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn-

zeichnet, daß durch die exotherme Reaktion eine Schicht aus pulverisiertem Zinn, die die Probe überdeckt, im wesentlichen vollständig in Zinnoxid umgesetzt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus pulverisiertem Zinn

(36) eine Schicht aus pulverisiertem Aluminium (34) überdeckt, und daß die Schicht aus pulverisiertem Aluminium während der exothermen Reaktion im wesentlichen vollständig in Aluminiumoxid umgewandelt wird. 25
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Ingangsetzen der Heizmittel einen Ofen umfassen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen eine obere Temperaturgrenze von größenordnuncfsmäßig etwa 1000⁰C aufweist,
11. Verfahren zum Oxidieren einer feuerfesten Probe, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: die feuerfeste Probe wird in ein Wärmeeinschlußteil gesetzt, die feuerfeste Probe wird dann mit einem Mit-

tel für ihre örtliche Erwärmung auf Dissoziationstemperatur versehen und die örtliche Erwärmung wird in Gang gesetzt.

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12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet/ daß bei dem Versehen der Probe mit Mittel zur örtlichen Erwärmung die feuerfeste Probe mit pulverisiertem Metall bedeckt wird, das in der .Lage ist, an einer exothermen Reaktion teilzunehmen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß beim Bedecken der Probe diese mit einer Schicht aus pulverisiertem Zinn bedeckt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß beim Bedecken der feuerfesten Probe diese mit einer Schicht aus pulverisiertem 7iluminium und die Schicht aus pulverisiertem Aluminium mit einer Schicht aus pulverisiertem Zinn bedeckt wird.