DE4334770A1 - Schmelztiegel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schmelztiegel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 für eine Analysator zur quantitativen Analyse von Elementen innerhalb einer Probe aus metallischen Materialien oder einer Keramik.

Bei der quantitativen Analyse von Elementen in einer Probe aus metalli­ schen Materialien oder einer Keramik kommt üblicherweise ein Graphit­ tiegel in einem Analysator zum Einsatz, wobei sich der Graphittiegel inner­ halb eines Probenextraktionsofens unter Luftabschluß zwischen Elektro­ den befindet, die aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind. Die Probe befindet sich innerhalb des Graphittiegels, der durch einen über die Elektroden fließenden großen elektrischen Strom unter Zufuhr eines In­ ertgases als Trägergas erhitzt wird. Dabei wird die Probe geschmolzen und das erzeugte Probengas wird dem Analysator zugeführt, um eine Analyse der im Probengas enthaltenen Elemente durchzuführen.

Vor einer derartigen Analyse wird der Graphittiegel allein, also ohne eine in ihm enthaltene Probe auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt, um ihn von Restgasen zu befreien. Es erfolgt ein sogenanntes Vorbrennen bzw. Vorer­ hitzen, um Verunreinigungen aus dem Schmelztiegel herauszubekom­ men, beispielsweise Gase, Wasser und dergleichen.

Beim oben beschriebenen Entgasungsverfahren wird der Graphittiegel auf eine Temperatur von etwa 3.000°C erhitzt. Eine am oberen Rand des Gra­ phittiegels zu liegen kommende obere Elektrode, die aus einer Kupferlegie­ rung besteht, muß dabei stark mit Wasser gekühlt werden, was zu einer Abnahme der Temperaturin der Nachbarschaft der oberen Elektrode führt und somit auch zu einer Abnahme der Temperatur im oberen Rand des Schmelztiegels, der aus diesem Grunde dort nicht hinreichend entgast werden kann. Es hat sich herausgestellt, daß trotz der Vorbrennbehand­ lung des leeren Schmelztiegels weiterhin gasförmige Elemente in dessen oberen Randbereichen verbleiben, beispielsweise CO, N und H.

Wird die Probe in einem solchen Fall innerhalb des Graphittiegels ge­ schmolzen, um Probengas extrahieren zu können, so steigt u. U. die Schmelze bis zum oberen Randbereich des Graphittiegels an und wechsel­ wirkt mit den dort noch vorhandenen Restgasen, was dazu führt, daß diese Restgase frei werden. Diese freigewordenen Restgase werden daher eben­ falls im Analysator gemeinsam mit den Probengasen gesammelt und ana­ lysiert, was oft zu fehlerhaften Resultaten führen kann.

Um hier Abhilfe zu schaffen, wurde bereits vorgeschlagen, einen doppelten Tiegel zu verwenden, um die Probe indirekt zu heizen. Dies führt aber zu höheren Herstellungskosten des Tiegels.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen billigen Schmelztiegel zu schaffen, bei dem die o. g. Probleme nicht mehr auftreten, und der sich zur hochgenauen Analyse von Proben eignet.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein Schmelztiegel nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß er an seiner inneren Umfangsoberfläche wenigstens einen ringförmigen Vor­ sprung unterhalb des oberen Tiegelrands aufweist. Dieser ringförmige Vorsprung verläuft über den gesamten Innenwandumfang und führt zu ei­ ner Öffnung mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der Tiegelinnen­ durchmesser im oberen Randbereich. Vorzugsweise befindet sich der ring­ förmige Vorsprung oberhalb der halben Tiegelinnenhöhe. Dabei kann der ringförmige Vorsprung einstückig mit der Tiegelwand verbunden sein, kann aber auch separat ins Innere des Tiegels eingesetzt und dort befestigt werden, z. B. durch Klemmung. Vorzugsweise besteht der Schmelztiegel und auch der ringförmige Vorsprung aus Graphit. Durch diesen ringförmigen Vorsprung wird erreicht, daß die geschmolzene Probe nicht mehr bis zu demjenigen oberen Randbereich des Schmelztiegels ansteigen kann, in welchem sich unter Umständen noch Restgase befinden. Sind aufgrund der Kühlung der oberen Elektroden beim Vorheizprozeß des Schmelztie­ gels noch Restgase im oberen Tiegelrandbereich verblieben, so können diese durch die geschmolzene Probe nicht freigesetzt werden, da letztere aufgrund des ringförmigen Vorsprungs nicht bis zum oberen Randbereich des Tiegels gelangen kann. Die Restgase verbleiben somit im oberen Rand­ bereich des Tiegels und können aus diesem nicht heraus und zum Analy­ sator kommen, wo sie unter Umständen das Analyseergebnis erheblich verfälschen könnten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Graphittiegels nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Graphittiegel nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung eines Probenextraktionsofens, und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Graphittiegel nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Der Graphittiegel 1 nach den Fig. 1 und 2 weist die Form eines zylindri­ schen Containers auf, der oben offen und unten mit einem Boden ver­ schlossen ist. Ein ringförmiger Vorsprung 3 befindet sich an der inneren Seitenwand 2 des Graphittiegels 1, und zwar in seinem oberen Bereich un­ terhalb der oberen Kante des Graphittiegels 1. Dieser ringförmige Vor­ sprung 3 erstreckt sich also radial nach innen und führt zu einer Öffnung, die im Durchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Graphittie­ gels 1.

Durch den ringförmigen Vorsprung 3 wird verhindert, daß eine im Gra­ phittiegel 1 vorhandene geschmolzene Probe 4 nach oben steigt, wenn die­ se extrahiert bzw. untersucht wird. Sollten nach einem Vorbrennen des Graphittiegels 1 ohne geschmolzene Probe 4 noch gasförmige Elemente, wie z. B. CO, N₂ und H₂ im oberen Teil des Graphittiegels 1 verbleiben, so können diese nicht mit der in den gasförmigen Zustand zu überführenden geschmolzenen Probe 4 wechselwirken bzw. erodieren, da die geschmolze­ ne Probe 4 infolge des ringförmigen Vorsprungs 3 daran gehindert wird, bis zu einer Höhe des Graphittiegels 1 anzusteigen, von der an die genannten Elemente noch vorhanden sind. Es ist daher möglich, nur Probenelemente durch ein Trägergas als Probengas zu extrahieren, was eine hochgenaue Analyse erlaubt.

Wie die Fig. 3 erkennen läßt, befindet sich der Graphittiegel 1 in einem Probenextraktionsofen 5, wobei er zwischen oberen Elektroden 6, 6 und ei­ ner unteren Elektrode 7 zu liegen kommt. Die oberen Elektroden 6, 6 sind fest in einem oberen Bereich des Probenextraktionsofens 5 angeordnet, während die untere Elektrode 7 unterhalb der oberen Elektroden 6, 6 an­ geordnet ist und nach oben und unten bewegt werden kann. Die oberen Elektroden 6, 6 können durch eine einzige ringförmige Elektrode gebildet sein, die auf dem oberen Rand des Graphittiegels 1 positioniert wird, wel­ cher auf der unteren Elektrode steht. Beim bereits genannten Vorbrennen wird der Graphittiegel 1, ohne daß sich in ihm die Probe 4 befindet, auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt, um in ihm vorhandene Verunreinigungen, wie z. B. Gase und Wasser, zu beseitigen.

Beim Vorbrennen fließt ein sehr großer elektrischer Strom durch beide Elektroden 6, 7, wobei der Probenextraktionsofen 5 luftdicht abgeschlos­ sen ist. Dabei wird nur der Graphittiegel 1, ohne daß in ihm eine Probe 4 vorhanden ist, auf Temperaturen von etwa 3.000°C erhitzt.

Da die obere Elektrode 6 aus einer Kupferleglerung besteht, ist es erforder­ lich, sie mit Wasser stark zu kühlen. Zu diesem Zweck befindet sich ein Kühlkanal 6a innerhalb der oberen Elektrode 6, durch den das Kühlwas­ ser hindurchströmt. Dieser Kühlkanal 6a kann z. B. ringförmig ausgebil­ det und um den Tiegelbereich herumgeführt sein. Die Wasserkühlung führt zu einer Temperaturverminderung der oberen Elektrode 6 und damit auch zu einer Herabsetzung der Temperaturin demjenigen oberen Bereich des Gaphittiegels 1, der in Kontakt mit der oberen Elektrode 6 steht. Mit anderen Worten wird durch die obere Elektrode 6 auch der obere Rand des Graphittiegels 1 heruntergekühlt, so daß keine hinreichende Entgasung dieses oberen Graphittiegelrands erreicht werden kann. Dagegen besteht die untere Elektrode 7 aus einer Wolframlegierung, so daß keine Kühlung erforderlich ist und daher ein dem oben erwähnten Kühlproblem entspre­ chendes Problem hier nicht auftritt.

Nachdem das oben beschriebene Vorbrennen beendet ist, wird zunächst die Probe 4 in den Graphittiegel 1 hineingelegt, und zwar durch eine Öff­ nung im oberen Bereich des Probenextraktionsofens 5 hindurch. Danach werden der Graphittiegel 1 und die Probe 4 gemeinsam erhitzt, wobei von außen ein Inertgas als Trägergas zugeführt wird. Die Probe 4 schmilzt und das erzeugte Probengas wird einem Analysator zugeführt, um die in der Probe 4 enthaltenen Elemente zu analysieren.

Beim Schmelzen der Probe 4 steigt diese im Innern des Graphittiegels 1 nach oben entlang der inneren Umfangsoberfläche 2 des Graphittiegels 1. Dieser Anstieg der Probe 4 nach oben wird jedoch durch den ringförmigen Vorsprung 3 begrenzt, der sich im oberen Teil an der inneren Umfangso­ berfläche 2 des Graphittiegels 1 befindet. Selbst wenn beim Vorbrennen also noch gasförmige Elemente im oberen Teil des Graphittiegels 1 verblei­ ben, können diese mit der geschmolzenen Probe 4 nicht erodieren bzw. wechselwirken, da sich die geschmolzene Probe 4 nicht bis zu diesem die gasförmigen Elemente noch enthaltenden Tiegelrand heraufbewegen kann. Dadurch wird sichergestellt, daß eine hochgenaue Analyse möglich ist.

Der kreisförmige Vorsprung 3 an der inneren Oberfläche 2 des Graphittie­ gels 1 ragt radial ins Tiegelinnere und verhindert dadurch das Ansteigen der geschmolzenen Probe 4 bis zum oberen Tiegelrandbereich, der infolge der Kühlung der oberen Elektroden 6, 6 nicht so stark erhitzt werden konnte. Anstelle nur eines einzigen kreisförmigen Vorsprungs können auch mehrere derartige Vorsprünge vorhanden sein, z. B. zwei oder drei. Sie lassen sich z. B. separat in den Tiegel einsetzen, können aber auch ein­ stückig mit ihm verbunden sein.

Die Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsge­ mäßen Graphittiegels mit nach innen welsendem kreisförmigem Vor­ sprung 3 in seinem oberen Teil an der inneren Umfangsoberfläche 2 und kurz unterhalb des oberen Rands des Graphittiegels 1. Im Gegensatz zu Fig. 1 ist der Boden außen nicht abgeschrägt, sondern weist eine äußere Umfangsnut auf, die z. B. zum Einspannen des Graphittiegels 1 dienen kann.

In Übereinstimmung mit der Erfindung befindet sich ein nach innen wei­ sender kreisförmiger Vorsprung an der inneren Umfangsoberfläche des Graphittiegels, und zwar in einem Bereich oberhalb einer mittleren Tiegel­ höhe. Die geschmolzene Probe innerhalb des Graphittiegels kann somit nicht mehr beliebig weit nach oben steigen, so daß sich während einer Ana­ lyse die Probengase auch nicht mehr mit den im oberen Rand des Tiegels noch vorhandenen Restgasen mischen können. Dadurch läßt sich die Ana­ lyse erheblich präziser ausführen, insbesondere auch bei kontinuierli­ chen Messungen. Graphittiegel lassen sich andererseits relativ billig und einfach herstellen, so daß sich auch die Analysekosten durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Graphittiegels nicht erhöhen. Die Kosten für den erfindungsgemäßen Graphittiegel liegen bei weitem nicht so hoch wie für einen Doppeltiegel, der sonst verwendet werden müßte.

Claims (4)

1. Schmelztiegel (1), dadurch gekennzeichnet, daß er an seiner inne­ ren Umfangsoberfläche (2) wenigstens einen ringförmigen Vorsprung (3) unterhalb des oberen Tiegelrands aufweist.

2. Schmelztiegel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Vorsprung (3) oberhalb der halben Tiegelinnenhöhe liegt.

3. Schmelztiegel (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der ringförmige Vorsprung (3) einstückig mit der Tiegelwand ver­ bunden ist.

4. Schmelztiegel (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß er aus Graphit hergestellt ist.