DE4334770C2

DE4334770C2 - Probenextraktionsofen mit einem Schmelztiegel

Info

Publication number: DE4334770C2
Application number: DE4334770A
Authority: DE
Inventors: Morinobu Hayashi
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1992-11-07
Filing date: 1993-10-12
Publication date: 1995-07-20
Anticipated expiration: 2013-10-13
Also published as: JP2583196Y2; JPH0641838U; DE4334770A1; US5452881A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Probenextraktionsofen mit einem Schmelztiegel für einen Analysator zur quantitativen Analyse von Elemen ten 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 (vergl. z. B. die DE 42 33 641 A1).

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 3000°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 Temperatur in 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.

Aus der GB 1 295 664 ist ein aus Graphit bestehender Schmelztiegel be kannt, der an seiner inneren Umfangsoberfläche einen ringförmigen Vor sprung unterhalb des oberen Tiegelrandes aufweist. Dieser ringförmige Vorsprung entsteht dadurch, daß eine obere Öffnung eine konische Innen kontur hat, damit mehrere Schmelztiegel, die jeweils an ihrem Bodenbe reich eine konische Außenkontur haben, die in die konische obere Öffnung paßt, übereinandergestapelt durch die Erhitzungszone eines Ofens trans portiert werden können. Der bekannte oder mehrere der übereinanderge stapelten bekannten Schmelztiegel werden in der Erhitzungszone des Ofens durch eine um die Tiegeltransportrichtung herum zylinderförmig vorgesehene Widerstandsheizwendel erhitzt, das heißt nicht durch einen durch den Schmelztiegel selbst hindurchgeleiteten elektrischen Strom. Somit kann das beschriebene Problem, daß nämlich die Schmelze bis zum oberen Randbereich des Graphittiegels ansteigen und mit dort eventuell vorhandenen Restgasen reagieren kann, beim bekannten Schmelztiegel gar nicht auftreten. Ferner ist auffallend, daß im bekannten Schmelzofen nur eine Temperatur von 1900°C erzeugt wird, während in dem hier be schriebenen Extraktionsofen eine Temperatur von etwa 3000°C erreicht wird.

Außerdem weist der Boden des bekannten Schmelztiegels durchgehende Löcher auf, so daß eine Reihe von übereinandergestapelten Schmelztie geln eine im wesentlichen geschlossene Röhre bilden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Probenextraktionsofen mit einem Schmelztiegel anzugeben, bei dem eine Probe im Schmelztiegel mittels einer oberen und einer unteren, direkt am oberen und unteren Tie gelrand anliegenden Elektrode geschmolzen werden kann, ohne daß die oben genannten Probleme auftreten, wobei eine genaue Analyse von Pro ben ermöglicht werden soll.

Diese Aufgabe wird durch einen Probenextraktionsofen mit einem Schmelztiegel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteil hafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu ent nehmen.

Vorzugsweise befindet sich der ringförmige Vorsprung oberhalb der hal ben 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. Durch diesen ringförmigen Vorsprung wird erreicht, daß die geschmolzene Probe nicht mehr bis zu demjenigen oberen Randbereich des Schmelztiegels an steigen kann, in welchem sich unter Umständen noch Restgase befinden. Sind aufgrund der Kühlung der oberen Elektroden beim Vorheizprozeß des Schmelztiegels 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 Randbereich des Tiegels und können aus diesem nicht heraus und zum Analysator kommen, wo sie unter Umständen das Analyseergebnis er heblich verfälschen könnten.

Die Erfindung wird in der Folge unter Bezugnahme auf die Zeichnung nä her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen ersten Schmelztiegel aus Graphit,

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

Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung eines Probenextraktionsofens, und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen zweiten Schmelztiegel aus Graphit.

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 Umfangsoberfläche 2 des Graphittiegels 1, und zwar in seinem oberen Be reich unterhalb der oberen Kante des Graphittiegels 1. Dieser ringförmige Vorsprung 3 erstreckt sich also radial nach innen und führt zu einer Öff nung, die im Durchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Gra phittiegels 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 genaue Analy se erlaubt.

Wie die Fig. 3 erkennen läßt, befindet sich der Graphittiegel 1 in einem Probenextraktionsofen 5, wobei er zwischen oberen Elektroden 6 und ei ner unteren Elektrode 7 zu liegen kommt. Die oberen Elektroden 6 sind fest in einem oberen Bereich des Probenextraktionsofens 5 angeordnet, wäh rend die untere Elektrode 7 unterhalb der oberen Elektroden 6 angeordnet ist und nach oben und unten bewegt werden kann. Die oberen Elektroden 6 können durch eine einzige ringförmige Elektrode gebildet sein, die auf dem oberen Rand des Graphittiegels 1 positioniert wird, welcher auf der unte ren Elektrode steht. Beim bereits genannten Vorbrennen wird der Graphit tiegel 1, ohne daß sich in ihm die Probe 4 befindet, auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt, um in ihm vorhandene Verunreinigungen, wie z. B. Ga se 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 3000°C erhitzt.

Da die obere Elektrode 6 aus einer Kupferlegierung 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 Graphittiegels 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 dem ringförmigen Vorsprung 3 begrenzt, der sich im oberen Teil an der inneren Umfangs oberfläche 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 einen zweiten Graphittiegel mit nach innen weisendem kreisförmigem Vorsprung 3 in seinem oberen Teil an der inneren Umfangs oberfläche 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 Graphit tiegels 1 dienen kann.

Claims

1. Probenextraktionsofen (5) zur Erhitzung von Proben mit einem oben offenen und unten mit einem Boden verschlossenen Schmelztiegel (1) aus Graphit, wobei der Schmelztiegel einen sich an seiner oberen Öffnung an schließenden oberen Tiegelrand aufweist, der in Kontakt mit einer gekühl ten oberen Elektrode (6) des Probenextraktionsofens (5) steht, wobei der Boden des Schmelztiegels (1) auf einer unteren Elektrode (7) des Probenex traktionsofens (5) aufliegt, und wobei der Schmelztiegel (1) durch einen durch beide Elektroden (6, 7) und den Schmelztiegel (1) selbst hindurch fließenden elektrischen Strom erhitzbar ist und an seiner inneren Um fangsoberfläche (2) wenigstens einen über den gesamten Innenwandum fang verlaufenden, ringförmigen Vorsprung (3) unterhalb des oberen Tie gelrands aufweist, durch den verhindert wird, daß eine im Schmelztiegel (1) vorhandene geschmolzene Probe bis zum oberen Rand des Schmelztie gels (1) ansteigen kann, wenn diese im Schmelztiegel (1) geschmolzen ist.

2. Probenextraktionsofen (5) nach An spruch 1, wobei der ringförmige Vorsprung (3) oberhalb der halben Tie gelinnenhöhe liegt.

3. Probenextraktionsofen (5) nach An spruch 1 oder 2, wobei der ringförmige Vorsprung (3) einstückig mit der Tiegelwand verbunden ist.

4. Probenextraktionsofen (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die obere Elektrode (6) aus einem Ring aus ei ner Kupferlegierung besteht, durch den ein Kühlmittelkanal (6a) führt.