DE4233641C2 - Materialanalysator und Verfahren zur Entgasung seines Graphittiegels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Materialanalysator zur quantitativen Bestim­ mung von Elementen innerhalb einer metallischen Probe unter Verwendung ei­ nes Graphittiegels.

Soll mit Hilfe eines derartigen Analysators ein Material analysiert werden, so wird zunächst innerhalb eines luftdicht abgeschlossenen Ofens bzw. Extrak­ tionsofens ein Graphittiegel angeordnet, und zwar zwischen einem Paar von Elektroden. In den Graphittiegel wird eine zu untersuchende metallische Probe hineingelegt. Sodann wird ins Innere des Ofens ein Trägergas einge­ leitet, beispielsweise Argon oder Helium. Fließt jetzt zwischen den Elektroden ein großer elektrischer Strom, so schmilzt die im Graphittiegel vorhandene me­ tallische Probe aufgrund der erzeugten Stromwärme, was zur Erzeugung eines Gases führt. Dieses Gas wird in einen Detektor geleitet, um eine quantitative Analyse der in der zu untersuchenden Probe vorhandenen Elemente durchzu­ führen, und zwar auf der Basis der Konzentration des erzeugten Gases.

Vor der eigentlichen Materialanalyse erfolgt eine sogenannte Entgasungsbe­ handlung, bei der nur der Graphittiegel auf eine hohe Temperatur aufgeheizt wird, ohne daß sich darin die metallische Probe schon befindet. Auf diese Weise können Verunreinigungen (verschiedene Arten von Gasen, einschließlich Was­ ser) beseitigt werden, die sich im Graphittiegel befinden.

Bei dieser Entgasungsbehandlung wird gemäß Fig. 3 eine Entgasungspassage 35, die eine Kapillare 34 aufweist, mit einer Probengas-Zufuhrpassage 33 ver­ bunden, die sich vom Ofen 31 zu einem Gasdetektor 32 erstreckt. Innerhalb der Probengas-Zufuhrpassage 33 befindet sich ein Kanalumschalt­ ventil 36 zur Belieferung des Gasdetektors 32 und der Entgasungspassage 35 mit einem vom Ofen 31 kommenden Gas. Dabei kann das Kanalum­ schaltventil 36 entsprechend umgeschaltet werden. So wird die Entgasungs­ passage 35 mit dem vom Ofen 31 ausgegebenen Gas beliefert, wenn die Entgasungsbehandlung durchgeführt wird. Bei der Entgasung des Graphit­ tiegels wird infolge der Wirkung der Kapillare 34 ein hoher Druck im Inneren des Ofens erzeugt, der etwa bei 0,8 bis 1,0 kg/cm² liegt. Darüber hinaus liegt die Temperatur im Inneren des Ofens bzw. die Temperatur des Graphittiegels höher als die Schmelztemperatur der zu analysierenden metallischen Probe, während andererseits die Menge des Trägergases so eingestellt ist, daß sie 4- bis 5mal höher ist als während der Materialanalyse.

Bei der obigen Entgasungsbehandlung verbleiben allerdings immer noch Ver­ unreinigungen innerhalb des Graphittiegels, und zwar infolge des im Inneren des Ofens wirkenden hohen Drucks, so daß hinsichtlich der Entgasung unzu­ reichende Ergebnisse erzielt werden. Andererseits weist der Graphittiegel selbst einen die Erhitzung durch Stromwärme begrenzenden Widerstand auf und die Analysezeit ist relativ lang, selbst bei Erhitzung auf höhere Temperatu­ ren und bei Verlängerung der Entgasungszeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen Analysator für Metalle zu schaffen, bei dem eine Entgasungsbehandlung ohne Erhöhung der Heiztemperatur bzw. Verlängerung der Heizzeit durchgeführt werden kann.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein geeignetes Verfahren zur Entgasung des Graphittiegels des Materialanalysators anzugeben.

Die vorrichtungsseitige Lösung der gestellten Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Dagegen findet sich die verfahrensseiti­ ge Lösung im Patentanspruch 5. Vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung sind den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein Materialanalysator nach der Erfindung enthält:

• - einen Ofen mit einem beheizbaren Graphittiegel,
• - eine Flußraten-Steuerungseinrichtung zur Zufuhr unterschiedlich großer Trägergasmengen in den Ofen über eine Zufuhrpassage,
• - einen Abgaskanal, über den der Ofen mit einem Gasdetektor verbunden ist,
• - eine Entgasungspassage, die vor dem Gasdetektor vom Abgaskanal abzweigt,
• - eine mit der Entgasungspassage verbundene Pumpe (Absaugpumpe), in die zur Erzeugung einer Ansaugkraft Hochdruckluft eingeblasen wird, um Gas aus dem Ofen in die Atmosphäre zu blasen, und
• - eine Umschaltventileinrichtung, die Gas vom Ofen im Analysebetrieb, wenn eine Probe im Graphittiegel geschmolzen ist, zum Gasdetektor und im Entga­ sungsbetrieb, wenn sich keine Probe im Graphittiegel befindet, zur Entga­ sungspassage leitet.

Ein Verfahren nach der Erfindung zum Entgasen eines Graphittiegels in einem Materialanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:

• - Einleiten einer geringen Menge eines Inertgases in den Ofen,
• - Erhitzen des Graphittiegels auf eine Temperatur, die höher ist als die Schmelztemperatur einer zu analysierenden metallischen Probe, und
• - plötzliches Absaugen der Gase aus dem Ofen zur Erzeugung eines Druckab­ falls im Ofen.

Vorzugsweise kann das Inertgas vor dem Einleiten in den Ofen auch erhitzt wer­ den.

Fällt der Druck im Inneren des Ofens bei sehr hoher Temperatur auf einen sehr geringen Wert ab, so tritt eine Änderung des Gleichgewichtspartialdampf­ drucks des Graphittiegels und der im Graphittiegel enthaltenen Verunreini­ gungsgase auf, so daß diese Verunreinigungsgase leicht aus dem Graphittiegel austreten können, der dadurch wirksam entgast wird, ohne daß die Heiztempe­ ratur auf zu hohe Werte angehoben werden muß. Auch die Heizzeit läßt sich da­ her in vertretbaren Grenzen halten.

Wird auf die Entgasungsbetriebsart umgeschaltet, so wird die Zuführung des Trägergases (Inertgas) zum Ofen im wesentlichen gestoppt. Es wird dann nur noch eine geringe Menge an Trägergas (Inertgas) über die Flußraten- Steuereinrichtung dem Ofen zugeführt. Sodann wird das Kanalumschaltventil so umgeschaltet, daß jetzt der Abgaskanal bzw. die Entgasungspassage mit dem Ofen verbunden ist und das von ihm ausgegebene Gas empfängt. Wird die Pumpe anschließend mit der Hochdruckluft angetrieben, so saugt diese Pumpe die Restgase aus dem Ofen bzw. aus dem mit ihr verbunde­ nen Kanalsystem heraus, was zu einem plötzlichen Druckabfall innerhalb des Ofens führt, in welchem der noch auf hoher Temperatur liegende Graphittiegel vorhanden ist.

Dabei werden der Gleichgewichtspartialdampfdruck des Graphittiegels (Koh­ lenstoff) und der der Verunreinigungen (hauptsächlich Wasser) geändert, so daß innerhalb des Graphittiegels vorhandene Gase leicht aus diesem austreten können, und zwar auch bei geringerer Heiztemperatur und kurzer Heizzeit.

Es sei noch erwähnt, daß die Erhitzung des Inertgases (Trägergases) bei der Analysebetriebsart ebenfalls durchgeführt, aber auch entfallen kann, je nach Anforderung.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den Prinzipaufbau eines Materialanalysators nach einem Ausführungs­ beispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 den Aufbau einer Flußraten-Steuerungseinrichtung für den Materia­ lanalysator nach Fig. 1 und

Fig. 3 den Aufbau eines konventionellen Materialanalysators.

Der in Fig. 1 gezeigte Materialanalysator nach der Erfindung weist Zylinder 1, 2 auf, die zur Lieferung eines Trägergases dienen. Sie sind mit einem Inertgas ge­ füllt, wobei der Zylinder 1 z. B. Argon und der Zylinder 2 z. B. Helium, oder um­ gekehrt, enthalten kann.

Zum Materialanalysator gehört ferner ein Ofen 3, der eine untere Elektrode 8, die mit Hilfe eines Luftdruckzylinders 4 angehoben und abgesenkt werden kann, sowie eine obere Elektrode 7 aufweist, die zusammen mit der un­ teren Elektrode 8 einen Graphittiegel 6 hält. Dieser Graphittiegel 6 kann zwi­ schen den Elektroden 7 und 8 eingeklemmt werden. Der Ofen 3 ist ferner mit einer Zufuhrpassage 11 verbunden, über die ihm ein Träger­ gas zugeführt wird, und zwar vom Zylinder 1 oder vom Zylinder 2 über ein Magnetventil 9 und ein Hauptschließventil 10.

Eine Flußraten-Steuerungseinrichtung 12 enthält ein Magnetventil 13 und ei­ ne Kapillarpassage 14, die um das Magnetventil 13 herumgeführt ist bzw. die­ ses überbrückt. Diese Flußraten-Steuerungseinrichtung 12 dient zur Lieferung von Trägergasmengen zum Ofen 3.

Heizeinrichtungen 15 und 16 befinden sich an der Zustromseite und an der Ab­ strömseite der Flußraten-Steuerungseinrichtung 12 zur Vorheizung der Trä­ gergase innerhalb der Zufuhrpassage 11, wobei die Heizwerte der Heizeinrich­ tungen 15 und 16 über eine Steuerungseinrichtung 17 gesteuert werden, und zwar sowohl bei der Entgasungsbehandlung als auch bei der Metallanalyse, was nachfolgend noch beschrieben wird. Die Heizwerte lassen sich auf der Ba­ sis der spezifischen Wärmen und der gelieferten Trägergasmengen einstellen, so daß die zum Ofen 3 strömenden Trägergase immer auf eine vorbe­ stimmte bzw. gewünschte Temperatur aufgeheizt sind.

Ein Gasdetektor 18 ist mit einer Zufuhrpassage 19 verbunden, über die ein Pro­ bengas vom Ofen 3 zum Gasdetektor 18 geliefert wird. Eine Entga­ sungspassage 22 weist eine Pumpe 21 auf und zweigt von der Zufuhr­ passage 19 im Bereich zwischen Ofen 3 und Gasdetektor 18 ab. Zwischen die­ sem Verzweigungspunkt und dem Ofen 3 befindet sich ein Filter 20 in der Zu­ fuhrpassage 19.

Der genannte Verzweigungspunkt wird durch ein Magnetventil 23 gebildet, das entsprechend umgeschaltet werden kann, um einerseits den Gasdetektor 18 mit dem Probengas und andererseits die Entgasungspassage 22 mit dem bei der Entgasungsbehandlung entstehenden Gas zu beliefern, das vom Ofen 3 ausgegeben wird. Innerhalb der Entgasungspassage 22 ist ferner ein Schließventil 24 vorhanden.

Die Pumpe 21 enthält einen Ejektor 25, der die innerhalb der Entga­ sungspassage 22 vorhandenen Gase, die vom Ofen 3 kommen, in die Atmosphäre ausbläst, und zwar unter Anwendung eines hohen Luftdrucks. Ei­ ne Lufthochdruckleitung 26 dient zur Lieferung einer Hochdruckluft, die über eine Leitung 27 und ein Magnetventil 28 dem Ejektor 25 zugeführt wird. Die un­ ter hohem Druck stehende Luft kann einem Stellglied entnommen werden, das z. B. der Luftdruckzylinder 4 sein kann. Dieser Luftdruckzylinder 4 ist über ei­ ne mit einem Ventil versehene Luftdruckleitung mit der Leitung 26 verbunden.

Wird bei dem Materialanalysator mit dem oben beschriebenen Aufbau die Ent­ gasungsbetriebsart eingestellt, und befindet sich dabei der Graphittiegel 6 in­ nerhalb des Ofens 3, so fließt ein großer elektrischer Strom zwi­ schen den beiden Elektroden 7 und 8, um eine angelegte Spannung so zu steu­ ern, daß eine Temperatur innerhalb des Ofens 3 höher ist als eine Schmelztemperatur einer zu analysierenden metallischen Probe.

Das Magnetventil 13 der Flußraten-Steuerungseinrichtung 12 ist geschlossen, um den Ofen 3 mit einem kleinen Volumen des Trägergases zu ver­ sorgen, und zwar durch den Einsatz der Kapillarpassage 14. Die Heizwerte der Heizeinrichtungen 15 und 16 werden in Abhängigkeit der spezifischen Wärmen und der Mengen der zugeführten Trä­ gergase eingestellt, um diese auf die gewünschte bzw. vorbestimmte Tempera­ tur zu erhitzen. Die Trägergase werden dann dem Ofen 3 zugeführt.

Beim oben beschriebenen Aufbau des Materialanalysators läßt sich ein Tempe­ raturabfall innerhalb des Ofens 3 dadurch verhindern, daß die Trä­ gergase vor Einspeisen in den Ofen 3 aufgeheizt werden. Dadurch läßt sich auch der Leistungsverbrauch zum Erhitzen des Graphittiegels 6 auf die oben beschriebene Temperatur reduzieren, so daß ein Transformator, über den der elektrische Strom zu den beiden Elektroden 7 und 8 geliefert wird, ei­ nen kleineren Aufbau aufweisen kann.

Soll andererseits der Leistungsverbrauch gleich bleiben, so läßt sich die Tempera­ tur innerhalb des Ofens 3 noch weiter erhöhen.

Anschließend wird das Magnetventil 28, das sich in der Lufthochdruck-Ent­ nahmeleitung 27 befindet, geöffnet, um die Pumpe 21 anzutreiben. Da­ bei ist das Umschaltventil 23 innerhalb der Zufuhrpassage 19 so eingestellt, daß das Probengas vom Ofen 3 zur Entgasungspassage 22 gelangt. Das Schließventil 24 ist geöffnet, und zwar durch den Druck des Gases, der als Pilotdruck dient. Dadurch werden die Gase innerhalb der Entgasungspassage 22 und somit die Gase im Ofen 3 unter Wirkung einer Saugkraft mit Hilfe der Pumpe 21 abgesaugt.

Im Inneren des Ofens 3 tritt somit bei hoher Temperatur eine Druck­ verminderung auf, so daß sich der Gleichgewichtspartialdampfdruck des Gra­ phittiegels 6 (Kohlenstoff) und derjenige der Verunreinigungsgase innerhalb des Graphittiegels 6 ändern. Dadurch können die im Graphittiegel 6 enthalte­ nen Gase wirksam austreten, ohne daß es erforderlich ist, die Temperatur des Graphittiegels 6 zu erhöhen oder die Heizzeit des Graphittiegels 6 zu verlän­ gern.

Soll alternativ dazu die erforderliche Temperatur im Inneren des Extraktions­ ofens 3 ohne Reduzierung der über die Elektroden 7, 8 verbrauchten Leistung erfolgen, also bei gleicher Leistung wie im konventionellen Fall, so läßt sich die Entgasungszeit beträchtlich verkürzen.

Wird bei dem Materialanalysator mit dem oben beschriebenen Aufbau die Ana­ lysebetriebsart ausgewählt, so wird das Magnetventil 28 geschlossen, damit die Pumpe 21 nicht mehr angetrieben wird. Das Schließventil 13 der Fluß­ raten-Steuerungseinrichtung 12 wird geöffnet, um ein gewünschtes bzw. vor­ bestimmtes Volumen an Trägergas zum Ofen 3 liefern zu können. Die Erhitzung des Trägergases erfolgt mit Hilfe der Heizeinrichtungen 15 und 16.

Im Anschluß daran wird das Umschaltventil 23 zum Gasdetektor 18 umge­ schaltet, so daß das Schließventil 24 schließt. Die metallische Probe wird in den im Ofen 3 befindlichen Graphittiegel 6 hineingelegt, bevor das Schließventil 24 geschlossen ist, um die metallische Probe zu schmelzen. Der Gasdetektor 18 empfängt dann das während des Schmelzprozesses erzeugte Probengas und führt eine quantitative Analyse derjenigen Elemente durch, die sich in der metallischen Probe befin­ den, und zwar auf der Grundlage der Konzentration des im Ofen 3 erzeugten Probengases.

Wie oben beschrieben, enthält die Flußraten-Steuerungseinrichtung 12 das Magnetventil 13 und die Kapillarpassage 14. Alternativ dazu kann die Flußra­ ten-Steuerungseinrichtung 12 auch gemäß Fig. 2 aufgebaut sein, also ein Zwei­ positions-Umschaltventil aufweisen, das mit einer Durchgangspassage (a) und einer Drosselpassage (b) (verengte Passage) ausgestattet ist. Auch das Kanal­ umschaltventil 23, das als Zweiwege-Umschaltventil ausgebildet ist, kann durch eine andere Einrichtung ersetzt werden. So können z. B. ein Schließven­ til in der Zufuhrpassage 19 und ein weiteres Schließventil in der Entgasungs­ passage 22 an derjenigen Stelle vorhanden sein, an der die Entgasungspassage 22 von der Zufuhrpassage 19 abzweigt, wobei sich die beiden Schließventile se­ parat öffnen und schließen lassen um einerseits den Gasdetektor 18 und ande­ rerseits die Entgasungspassage 22 mit dem Gas vom Ofen 3 im Um­ schaltbetrieb versorgen zu können. Beide Ventile befinden sich also in Strö­ mungsrichtung gesehen hinter dem genannten Verzweigungspunkt der Leitun­ gen 19 und 22.

Der obige Materialanalysator ist in der Lage, die Entgasungsbehandlung wirk­ sam und in kurzer Zeit ausführen zu können, ohne daß der Graphittiegel auf ei­ ne hohe Temperatur aufgeheizt werden muß. Dies wird dadurch erreicht, daß der Tiegel innerhalb des Ofens druckentlastet wird, der Druck im Ofen also sehr schnell abgebaut wird.

Die Pumpe 21, der die Hochdruckluft von der Hochdruckluft-Versor­ gungsleitung zugeführt wird, bewerkstelligt die Druckabsenkung im Inneren des Ofens 3, so daß der Analysator auch kostengünstig hergestellt werden kann, da derartige Pumpen häufig für andere Zwecke bereits vorhanden sind. Es ist nicht erforderlich, zu diesem Zweck eine mechanische Dekompressionspumpe oder dergleichen zu benutzen, so daß der Analysator auch einen einfachen Aufbau aufweist. Durch Verwendung der Pumpe der ge­ nannten Art läßt sich der Entgasungsprozeß auch relativ leise bzw. geräusch­ arm durchführen. Darüber hinaus führt die Verwendung der genannten Pumpe, die mit Hochdruckluft betrieben wird, zu einer geringeren Störanfäl­ ligkeit des Analysators.

Claims (6)

1. Materialanalysator, mit:

• - einem Ofen (3) mit einem beheizbaren Graphittiegel (6),
• - einer Flußraten-Steuerungseinrichtung (12) zur Zufuhr unterschiedlich großen Trägergasmengen in den Ofen (3) über eine Zufuhrpassage (11),
• - einem Abgaskanal (19), über den der Ofen (3) mit einem Gasdetektor (18) ver­ bunden ist,
• - einer Entgasungspassage (22), die vor dem Gasdetektor (18) vom Abgaskanal (19) abzweigt,
• - einer mit der Entgasungspassage (22) verbundenen Pumpe (21), in die zur Erzeugung einer Ansaugkraft Hochdruckluft eingeblasen wird, um Gas aus dem Ofen (3) in die Atmosphäre zu blasen, und
• - einer Umschaltventileinrichtung (23), die Gas vom Ofen (3) im Analysebetrieb, wenn eine Probe im Graphittiegel (6) geschmolzen ist, zum Gasdetektor (18) und im Entgasungsbetrieb, wenn sich keine Probe im Graphittiegel (6) befin­ det, zur Entgasungspassage (22) leitet.

2. Materialanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußraten-Steuerungseinrichtung (12) ein in der Zufuhrpassage (11) lie­ gendes Magnetventil (13) aufweist, das von einer Kapillarpassage (14) über­ brückt ist.

3. Materialanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußraten-Steuerungseinrichtung (12) ein Zweiwege-Umschaltventil mit ei­ ner Durchgangspassage (a) und einer Drosselpassage (b) aufweist.

4. Materialanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zufuhrpassage (11) mit Heizeinrichtungen (15, 16) zur Auf­ heizung des Trägergases versehen ist.

5. Verfahren zum Entgasen eines Graphittiegels (6) in einem Materialanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ge­ kennzeichnet durch folgende Schritte:

• - Einleiten einer geringen Menge eines Inertgases in den Ofen (3),
• - Erhitzen des Graphittiegels (6) auf eine Temperatur, die höher ist als die Schmelztemperatur einer zu analysierenden metallischen Probe, und
• - plötzliches Absaugen der Gase aus dem Ofen (3) zur Erzeugung eines Druckabfalls im Ofen (3).

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Inert­ gas vor dem Einleiten in den Ofen (3) erhitzt wird.