JP2000193657A - 試料中の酸素分析方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鉄鋼などの試料中に含まれる酸素を、それが
微量であっても精度よく定量することができる試料中の
酸素分析方法および装置を提供すること。 【解決手段】 抽出炉１内に不活性ガス５を供給しなが
ら炭素るつぼ２内の試料３を加熱融解し、そのとき抽出
されるガスをガス分析計７に導いて一酸化炭素濃度を測
定し、この一酸化炭素濃度に基づいて前記試料３中に含
まれる酸素を定量分析する方法において、前記抽出炉１
内に不活性ガス５を供給しながら前記炭素るつぼ２を空
の状態で脱ガスのために所定温度で所定時間加熱し、そ
の後、所定温度になっている前記炭素るつぼ２内に試料
３を投入し、抽出炉１内に不活性ガス５を供給しながら
前記試料３を収容した炭素るつぼ２を所定時間所定温度
で一次加熱し、その後、抽出炉１内のガスを吸引により
排出し、その後、抽出炉１内に不活性ガス５を供給しな
がら前記炭素るつぼ２を前記一次加熱時の温度よりも高
い所定温度で二次加熱するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、抽出炉において
例えば鉄鋼などの試料を加熱し、そのとき発生するガス
を分析計に導いて試料中に含まれる酸素を分析する方法
および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば鉄鋼などの材料中に含まれる酸素
を分析する方法として、例えば図３に示すように、直接
通電方式の抽出炉１内に黒鉛るつぼなどの炭素るつぼ２
を設け、この炭素るつぼ２内に試料としての鉄鋼３を収
容した状態で炭素るつぼ２に通電を行い、そのとき生ず
るガス４を、キャリアガス（ヘリウムガスなどの不活性
ガスが用いられる）５によって抽出炉１から導出し、抽
出炉１に接続された発生ガス流路６を介して非分散型赤
外線ガス分析計（ＮＤＩＲ）などのガス分析計７に導入
して、前記ガス中におけるＣＯ（一酸化炭素）濃度を測
定し、このＣＯ濃度に基づいて鉄鋼３中に含まれる酸素
濃度を得るものがある。なお、図３において、８はキャ
リアガスボンベ、９はキャリアガス導入路である。

【０００３】ところで、鉄鋼中に含まれる酸素は、きわ
めて微量であるから、その分析を高精度に行うには、鉄
鋼中の酸素の量（または濃度）を、それ以外の酸素の量
（または濃度）と峻別して分析する必要がある。そし
て、前記鉄鋼中の酸素以外の酸素としては、鉄鋼３を収
容する炭素るつぼ２に含まれる酸素や、鉄鋼３そのもの
の表面に付着している酸素（これには、酸素そのものや
油分や汚れなどがある）がある。そのため、十分に脱ガ
ス処理した炭素るつぼ２を用いるとともに、鉄鋼３を電
解研磨したり、化学研磨したり、あるいは、鉄鋼３を４
００℃〜６００℃で１０分間加熱するなどの手法によっ
て前処理を行うなどしていた。

【０００４】しかしながら、上述の手法では、一旦脱ガ
ス処理した炭素るつぼ２が分析に使用されるまでの間に
酸素を含んでしまうといった問題があるとともに、鉄鋼
３の前処理のための装置や手間が必要であるといった問
題がある。

【０００５】上述の問題を一挙に解決するものとして、
図４（Ａ），（Ｃ）に示すように、前記抽出炉１内に不
活性ガスを供給しながら、空の炭素るつぼ２に通電を行
ってこれを所定温度（例えば３０００℃）加熱して脱ガ
スを行い、その後、前記脱ガス処理後の炭素るつぼ２が
所定温度（例えば１０００℃）になったとき、その内部
に試料３を投入し、抽出炉１内に不活性ガスを供給しな
がら所定時間比較的低温（１０００℃）で加熱し、その
後、より高温（例えば２０００〜２５００℃）で加熱す
ることが試みられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記分析手
法によれば次のような不都合があった。図４（Ｂ）は、
前記分析手法を実施したときの発生酸素量の時間的変化
を概略的に示すもので、前記脱ガスのための加熱（３０
００℃で３０秒間加熱を、０℃で５秒間を間に挟んで３
回行う）によって、この図において符号１０，１１，１
２で示すように、炭素るつぼ２に含まれている酸素が抽
出される。そして、炭素るつぼ２内に試料として鉄鋼３
を投入と同時に行われる低温加熱（１０００℃で１００
秒間加熱）によって、同図において符号１３で示すよう
に、鉄鋼３の表面に付着している酸素が抽出される。な
お、図４において、横軸は時間（秒）を表しているが、
そのその長さを必ずしも比例して表してない。

【０００７】しかしながら、前記低温加熱に引き続いて
行われる高温加熱（２５００℃で１２秒間）によって
は、発生する酸素の出力は、同図において符号１４で示
すように、二つのピークを有するものとなり、本来定量
すべきものである鉄鋼３内部の酸素のほかに他の酸素を
含んだものとなっており、鉄鋼３の内部の酸素のみを定
量できないこととなる。これは、以下の理由によるもの
と考えられる。

【０００８】すなわち、上記加熱温度１０００℃と２５
００℃とでは、炭素るつぼ２に対する酸素の脱離量が異
なり、２５００℃の方が酸素の脱離量が多いと考えられ
る。脱ガス加熱により３０００℃といった高温で所謂空
焼き処理した炭素るつぼ２であっても、１０００℃に温
度を一旦下げ、その後、２５００℃に温度を上げれば、
炭素るつぼ２の脱離酸素量が増え、これが鉄鋼３内部の
酸素のピークと重なり、鉄鋼３内部の酸素のみの正確な
定量が阻害されることになるのである。

【０００９】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、鉄鋼などの試料中に含まれる酸
素を、それが微量であっても精度よく定量することがで
きる試料中の酸素分析方法および装置を提供することで
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明では、抽出炉内に不活性ガスを供給しなが
ら炭素るつぼ内の試料を加熱融解し、そのとき抽出され
るガスをガス分析計に導いて一酸化炭素濃度を測定し、
この一酸化炭素濃度に基づいて前記試料中に含まれる酸
素を定量分析する方法において、前記抽出炉内に不活性
ガスを供給しながら前記炭素るつぼを空の状態で脱ガス
のために所定温度で所定時間加熱し、その後、所定温度
になっている前記炭素るつぼ内に試料を投入し、抽出炉
内に不活性ガスを供給しながら前記試料を収容した炭素
るつぼを所定時間所定温度で一次加熱し、その後、抽出
炉内のガスを吸引により排出し、その後、抽出炉内に不
活性ガスを供給しながら前記炭素るつぼを前記一次加熱
時の温度よりも高い所定温度で二次加熱するようにして
いる。

【００１１】また、この発明では、抽出炉内に不活性ガ
スを供給しながら炭素るつぼ内の試料を加熱融解し、そ
のとき抽出されるガスをガス分析計に導いて一酸化炭素
濃度を測定し、この一酸化炭素濃度に基づいて前記試料
中に含まれる酸素を定量分析する装置において、前記抽
出炉内に不活性ガスを供給しながら前記炭素るつぼを空
の状態で脱ガスのために所定温度で所定時間加熱し、そ
の後、所定温度になっている前記炭素るつぼ内に試料を
投入し、抽出炉内に不活性ガスを供給しながら前記試料
を収容した炭素るつぼを所定時間所定温度で一次加熱
し、その後、抽出炉内のガスを吸引により排出し、その
後、抽出炉内に不活性ガスを供給しながら前記炭素るつ
ぼを前記一次加熱時の温度よりも高い所定温度で二次加
熱するようにしている。

【００１２】上記構成の試料中の酸素分析方法および装
置において、例えば鉄鋼中の酸素を定量分析する場合、
まず、抽出炉内に不活性ガスを供給しながら炭素るつぼ
に通電して、炭素るつぼを空の状態で３０００℃で加熱
することにより、炭素るつぼに含まれている酸素が抽出
され、所謂脱ガスが行われる。

【００１３】その後、前記炭素るつぼの温度が５００℃
程度に下がったとき、その内部に試料としての鉄鋼を投
入し、その状態で炭素るつぼに通電して１０００℃前後
に一次加熱すると、前記鉄鋼の表面に付着している酸素
が抽出される。

【００１４】そして、炭素るつぼをより高い温度で加熱
する二次加熱に移行する前に、炭素るつぼを速やかに２
０００℃以上に昇温する。これによって、炭素るつぼか
ら二次的に酸素が抽出される。その後、ポンプを動作さ
せて抽出炉内のガスを排気する。この排気により、前記
鉄鋼の表面に付着している酸素および炭素るつぼから二
次的に抽出される酸素は、炭素るつぼの炭素と化合して
ＣＯとなり、その状態で抽出炉外に排出される。

【００１５】その後、抽出炉内に不活性ガスを供給しな
がら炭素るつぼに通電して、これを２５００℃前後に加
熱することにより、鉄鋼内部の酸素が抽出され、この酸
素が炭素るつぼの炭素と化合してＣＯとなって、他の発
生ガスとともにキャリアガスとしての不活性ガスによっ
て発生ガス流路に導出される。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１および図２は、この発明の一
つの実施の形態を示す。まず、図１は、この発明の酸素
分析方法を実施するための装置の構成を概略的に示すも
ので、この図において、１５，１６は電磁弁よりなる開
閉弁で、それぞれ、キャリアガス導入路９、発生ガス流
路６の抽出炉１に近接して設けられている。また、１７
は抽出炉１に接続されるガス排出流路で、その抽出炉１
に近い部分に吸引ポンプ１８が設けられている。なお、
図中、図３における符号と同一の符号は同一物であるの
で、その説明は省略する。

【００１７】上記装置を用いて、鉄鋼中の酸素を定量分
析する方法について、図２をも参照しながら説明する。
図２（Ａ）は、炭素るつぼに供給される電力と炭素るつ
ぼの温度とを概略的に示す図、同図（Ｂ）は、発生酸素
量の時間的変化を概略的に示す図、同図（Ｃ）は、抽出
炉に対する不活性ガスの供給状況の時間的変化を概略的
に示す図である。なお、図２において、横軸は時間
（秒）を表しているが、ならずしもその長さを必ずしも
比例して表してない。また、この図２において、図４に
おける符号と同一の符号は同一物であるので、その説明
は省略する。

【００１８】まず、抽出炉１内に炭素るつぼ２を設け、
開閉弁１５，１６を開状態にし、図２（Ｃ）に示すよう
に、抽出炉１内にヘリウムガス５をキャリアガスとして
供給しながら炭素るつぼ２に所定のサイクルで通電し
て、炭素るつぼ２を空の状態で例えば３０００℃で所謂
脱ガス加熱する。この脱ガス加熱は、図２（Ａ）で示す
ように、３０００℃で３０秒間加熱を、０℃で５秒間を
間に挟んで３回行う。これにより、炭素るつぼ２に含ま
れている酸素が、図２（Ｂ）において符号１０，１１，
１２で示すように抽出され、所謂脱ガスが行われる（図
２（Ｂ）参照）。この酸素は、炭素るつぼ２の炭素と化
合してＣＯとなり、他の発生ガスとともにヘリウムガス
５によって抽出炉１外に導出され、発生ガス流路６を流
れ、ガス分析計７に供給される。

【００１９】前記脱ガス処理を完了し、脱ガス処理した
炭素るつぼ２の温度が５００℃程度に下がったとき、そ
の内部に試料としての鉄鋼３を投入し、抽出炉１内にヘ
リウムガス５を供給しながら（図２（Ｃ）参照）、炭素
るつぼ２に通電して１０００℃前後に一次加熱する。こ
の一次加熱の時間は約１００秒間である。なお、試料投
入は１０００℃前後の一次加熱開始と同時に行う。この
一次加熱によって、図２（Ｂ）において符号１３で示す
ように、鉄鋼３の表面に付着している酸素が抽出され
る。

【００２０】そして、前記鉄鋼３の表面に付着している
酸素が抽出された後、炭素るつぼ２をより高い温度、例
えば２０００℃以上に速やかに上昇する。これによっ
て、炭素るつぼ２に吸収されている酸素（二次酸素）
が、図２（Ｂ）において符号１９で示すように、炭素る
つぼ２から抽出される。この昇温タイミングとほぼ同時
に、キャリアガス導入路９に設けてある開閉弁１５を閉
めてヘリウムガス５の抽出炉１への供給を停止するとと
もに、発生ガス流路６に設けてある開閉弁１６を閉めて
抽出炉１から発生ガスなどが発生ガス流路６の下流側に
流れていかないように、つまり、抽出炉１を密閉状態と
する。この状態で、ガス排出流路１７に設けてある吸引
ポンプ１８を動作させる。これによって、前記炭素るつ
ぼ２から抽出された酸素（二次酸素）は、残存している
鉄鋼３の表面酸素などとともに、抽出炉１から速やかに
ガス排出流路１７に導出される。

【００２１】上述のように、この発明においては、抽出
炉１内を一旦排気するようにしているが、このための吸
引ポンプ１８による吸引動作の開始時間は、前記試料投
入から例えば約８５秒後であり、前記二次的に発生した
酸素を抽出炉１外に導出させるため、抽出炉１にするヘ
リウムガス５の供給は一次的に停止されるが、前記吸引
ポンプ１８の吸引動作開始と同時に停止され、図２
（Ｃ）に示すように、約２０秒間停止される。

【００２２】前記二次的に発生した酸素を抽出炉１外に
導出した後、開閉弁１５，１６を再び開くとともに、吸
引ポンプ１８の動作を停止し、抽出炉１にヘリウムガス
５を供給している状態とし、炭素るつぼ２を２５００℃
で加熱する。この２５００℃の二次加熱は、前記１００
０℃の一次加熱を１００秒間行った後、引き続き行われ
るもので、約１２秒間継続される。これにより、鉄鋼３
中の酸素が抽出され、これが炭素るつぼ２の炭素と化合
してＣＯとなり、他の発生ガスとともにヘリウムガス５
によって抽出炉１外に導出され、発生ガス流路６を流
れ、ガス分析計７に供給される。この発生ガスに含まれ
るＣＯ濃度が得られ、これに基づいて鉄鋼３中の酸素濃
度が得られる。

【００２３】上述の動作説明からも明らかなように、こ
の発明の酸素分析方法においては、試料３を収容した炭
素るつぼ２を一次加熱によってから二次加熱に移行する
タイミングで、炭素るつぼ２を急激に昇温するととも
に、抽出炉１内のガスを吸引するようにして、炭素るつ
ぼ２内に含まれている酸素に起因するＣＯがガス分析計
７に供給されないようにしているので、試料３内に含ま
れている酸素のみを精度よく定量分析することができ
る。因みに、従来の酸素分析方法においては、二次的な
酸素の濃度が１．７５ｐｐｍであったものが、この発明
の酸素分析方法においては、これを０．１５ｐｐｍとい
った程度にまで低減することができ、二次的な酸素をほ
とんど無視できるようになった。

【００２４】なお、試料３が鉄鋼の場合、その表面に付
着している酸素を除去するための一次加熱の温度として
は、８００〜１１００℃と従来より広くなり、それだ
け、分析の幅が広がる。また、試料内部の酸素の抽出の
ための二次加熱の温度も、２０００〜２５００℃にする
ことができる。

【００２５】そして、上記の実施の形態においては、抽
出炉１にガス排出流路１７を接続し、これに吸引ポンプ
１８を設けているが、これに代えて、発生ガス流路６の
開閉弁１６に代えて、三方電磁弁を設け、この三方電磁
弁に接続される流路に吸引ポンプ１８を設けるようにし
てもよい。

【００２６】また、この発明は、上記鉄鋼中の酸素濃度
の定量のみならず、他の金属やセラミックなど他の材料
における酸素濃度の定量分析に適用できることはいうま
でもない。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の酸素分
析方法においては、抽出炉内に不活性ガスを供給しなが
ら、試料を収容した炭素るつぼを低温で加熱する一次加
熱と、高温で加熱する二次加熱との間において不活性ガ
スの供給を停止し、抽出炉内のガスを吸引により排出す
るようにして、炭素るつぼから二次的に抽出される酸素
を巧みに除去するようにしているので、試料内部の酸素
のみを正確に定量することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の試料中の酸素分析方法を実施するた
めの装置の構成を概略的に示す図である。

【図２】前記試料中の酸素分析方法を説明するための図
で、（Ａ）は炭素るつぼに供給される電力と炭素るつぼ
の温度とを概略的に示す図、（Ｂ）は発生酸素量の時間
的変化を概略的に示す図、（Ｃ）は抽出炉に対する不活
性ガスの供給状況の時間的変化を概略的に示す図であ
る。

【図３】従来の酸素分析方法を実施するための装置の構
成を概略的に示す図である。

【図４】前記酸素分析方法を説明するための図で、
（Ａ）は炭素るつぼに供給される電力と炭素るつぼの温
度とを概略的に示す図、（Ｂ）は発生酸素量の時間的変
化を概略的に示す図、（Ｃ）は抽出炉に対する不活性ガ
スの供給状況の時間的変化を概略的に示す図である。

【符号の説明】

１…抽出炉、２…炭素るつぼ、３…試料、４…発生ガ
ス、５…不活性ガス、７…ガス分析計。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 昌彦 京都府京都市南区吉祥院宮の東町２番地 株式会社堀場製作所内 Ｆターム(参考） 2G055 AA03 AA05 BA02 CA22 CA25 DA22 DA23 EA04

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 抽出炉内に不活性ガスを供給しながら炭
   素るつぼ内の試料を加熱融解し、そのとき抽出されるガ
   スをガス分析計に導いて一酸化炭素濃度を測定し、この
   一酸化炭素濃度に基づいて前記試料中に含まれる酸素を
   定量分析する方法において、前記抽出炉内に不活性ガス
   を供給しながら前記炭素るつぼを空の状態で脱ガスのた
   めに所定温度で所定時間加熱し、その後、所定温度にな
   っている前記炭素るつぼ内に試料を投入し、抽出炉内に
   不活性ガスを供給しながら前記試料を収容した炭素るつ
   ぼを所定時間所定温度で一次加熱し、その後、抽出炉内
   のガスを吸引により排出し、その後、抽出炉内に不活性
   ガスを供給しながら前記炭素るつぼを前記一次加熱時の
   温度よりも高い所定温度で二次加熱することを特徴とす
   る試料中の酸素分析方法。
2. 【請求項２】 抽出炉内に不活性ガスを供給しながら炭
   素るつぼ内の試料を加熱融解し、そのとき抽出されるガ
   スをガス分析計に導いて一酸化炭素濃度を測定し、この
   一酸化炭素濃度に基づいて前記試料中に含まれる酸素を
   定量分析する装置において、前記抽出炉内に不活性ガス
   を供給しながら前記炭素るつぼを空の状態で脱ガスのた
   めに所定温度で所定時間加熱し、その後、所定温度にな
   っている前記炭素るつぼ内に試料を投入し、抽出炉内に
   不活性ガスを供給しながら前記試料を収容した炭素るつ
   ぼを所定時間所定温度で一次加熱し、その後、抽出炉内
   のガスを吸引により排出し、その後、抽出炉内に不活性
   ガスを供給しながら前記炭素るつぼを前記一次加熱時の
   温度よりも高い所定温度で二次加熱することを特徴とす
   る試料中の酸素分析装置。