JPH06123690A - 金属試料中微量炭素の迅速分析方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属試料中の微量炭素成分を表面汚染炭素成
分を分離して、簡便かつ迅速に定量する。 【構成】 金属試料４を最初に不活性ガス気流中で加熱
して試料表面に存在している汚染炭素成分を除去後、引
き続いて加熱を続けながら不活性ガスから酸素ガスに切
り換えて導入し、試料を酸化燃焼させ、試料中の炭素成
分を二酸化炭素となし、生成した二酸化炭素ガス濃度か
ら試料表面汚染炭素量を差し引いた試料中の炭素含有率
を正確かつ簡便、迅速に求める金属試料中微量炭素の迅
速分析方法及び装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属試料中の微量炭素
を正確に定量する分析方法及び装置に関する。本発明
は、製鉄業あるいは各種非鉄金属業などにおける製造工
程管理や品質管理分析の分野で利用される。

【０００２】

【従来の技術】最近金属製造業において、製品の高級化
に伴って高純度の金属、例えば炭素などの不純物成分を
極力除去して深絞り性を向上した高級鋼材が開発されて
いる。このため、特に含有される微量の炭素をppm オー
ダーで簡単、迅速に分析する要求が増大している。

【０００３】金属試料中の炭素の定量については、試料
を酸素気流中で加熱し、炭素成分を二酸化炭素となし、
二酸化炭素の赤外線吸収量を測定する「鉄及び鋼中の炭
素定量方法，ＪＩＳ Ｇ１２１１−１９８１」などが一
般に用いられている。しかし、最近金属試料のppm オー
ダーの微量の元素を定量する場合、特に大気に含まれる
酸素、窒素、炭素などの元素は、試料を採取し切削など
の試料調製を行い、分析装置に供給するまでの短時間に
試料汚染が起り、分析誤差を生じる問題が指摘されてい
る。例えば、鋼中微量炭素の定量を行う場合、試料表面
の付着炭素が誤差要因として重要な意味をもつようにな
ることが報告されている（「鉄と鋼」第７１年，第１４
号参照）。また、同文献は付着炭素の除去方法として、
予備加熱法と化学研磨法が有効であることを開示してい
る。予備加熱法では、試料を大気雰囲気で４３０℃で１
０分間加熱して表面汚染炭素を予め除去している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の予備加熱法また
は化学研磨法により試料を清浄化する方法は、試料表面
の汚染炭素の除去に数分以上の時間を要するので分析に
時間がかかり、またそのための操作が煩雑である。従っ
て、分析により金属試料中の炭素成分含有率を迅速に把
握して製鋼操業などの対応をとることができず、分析結
果を直ちにフィードバックする必要のある製造工程管理
や品質管理に利用するには問題がある。また、化学研磨
法に比べ予備加熱法の方が操作性が良い利点があるが、
加熱温度が高い場合あるいは加熱温度を下げても加熱時
間が長い場合には、表面汚染炭素以外に試料中に含まれ
ていた炭素成分をも脱炭現象によって取り除いてしま
い、炭素定量値に負誤差を与える大きな問題がある。

【０００５】そこで、本発明は金属試料の採取や試料調
製時の大気中炭素成分の吸着などによると考えられる試
料汚染炭素成分を、簡単、迅速に除去し、かつ試料中に
含まれる炭素成分の損失が起らない金属試料中の微量炭
素を迅速に定量することができる分析方法及び装置を提
供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以上の問題を解決するた
め、本発明者らは次の分析方法及び装置が有効であるこ
とを明らかにした。すなわち、金属試料を酸素気流中で
加熱、燃焼して試料中の炭素成分を二酸化炭素となし、
二酸化炭素ガス濃度から試料中の炭素含有率を求める分
析方法において、金属試料を不活性ガス気流中ないしは
密閉した不活性ガス雰囲気中で加熱して試料表面に存在
している汚染炭素成分を除去後、酸素ガスを導入して加
熱して燃焼させ、試料中の炭素成分を二酸化炭素とな
し、生成した二酸化炭素ガス濃度から試料中の炭素含有
率を求める金属試料中微量炭素の迅速分析方法、及び金
属試料を収納した坩堝を内部に収納し、頂部に燃焼ガス
排出管、下部に金属試料を収納した坩堝を燃焼室に出し
入れする試料設定機構、周囲に加熱装置を備えた密閉上
の円筒管からなる試料の加熱、燃焼部、上記円筒管の下
部に設けた不活性ガス及び酸素ガスを一定流量で切り換
えて導入するガス供給部、及び上記の燃焼ガス排出管に
接続した二酸化炭素検出器、含有率算出データ処理部か
ら構成されることを特徴とする金属試料中の微量炭素の
迅速分析装置を用いる手段である。

【０００７】上記解決手段において、炭素定量装置の加
熱源は抵抗加熱方式あるいは高周波加熱方式であっても
適用でき、汚染炭素を迅速に除去して試料内部の微量炭
素を精度良く定量することができる。本発明者の実験に
よれば、不活性ガス中での加熱によって放散されてくる
ガス成分は、二酸化炭素、炭化水素もわずかに存在した
が、大部分が一酸化炭素ガスが主成分を占めた。検出装
置としては、試料内部の炭素を酸素気流中で燃焼して生
成した二酸化炭素ガスは赤外線吸収計で検出するのが一
般技術である。この燃焼反応において二酸化炭素に比べ
て極めてその比率は低いものの一酸化炭素が同時に生成
するので、酸化銅触媒を通過させて一酸化炭素を二酸化
炭素に酸化する方法を採用している。このように酸化銅
触媒などにより燃焼ガス中の炭素ガス成分を二酸化炭素
に酸化する方法を採用すれば、試料を最初不活性ガス気
流中で加熱し、続いて酸素ガスに切り換えることによっ
て試料を燃焼させることにより、最初に表面汚染炭素を
続いて試料内部の炭素を分離して定量することができ
る。また、燃焼ガスを４００℃程度に加熱したニッケル
触媒中を通過させて、一酸化炭素、二酸化炭素などのガ
スを還元してメタンに変えてガスクロマトグラフの一般
的な検出器であるＦＩＤ（フレームイオン化検出器）で
検出する方法も採用できる。

【０００８】

【作用】これまでの酸素の存在下で金属試料を加熱し
て、表面汚染炭素成分を予め除去する予備加熱法に代っ
て、窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガス中で試料
を加熱する方法を検討した結果、酸素の供給がなくても
表面汚染炭素成分は除去できることを本発明者は実験に
よって明らかにした。すなわち、試料を採取して調製し
ている短時間に試料表面を汚染する炭素成分は、これま
では酸素の存在下で加熱し汚染炭素を酸化して二酸化炭
素として除去する考え方をとっていたが、酸素による酸
化反応ではなく単に加熱温度による除去が可能であるこ
とを明らかにした。

【０００９】酸素の存在下では試料を加熱する温度が高
い場合、加熱時間が長い場合あるいは試料中の炭素の化
合物が不安定な場合などにおいて、脱炭が起り表面汚染
炭素と共に試料中の炭素の一部をも除去してしまう心配
が常にあった。そこで、鋼試料の場合には普通鋼では例
えば４３０℃で１０分間の加熱処理が良いが、炭素の存
在が安定な炭化クロムとして存在するステンレス鋼では
もう少し高温で加熱しても脱炭が起らないなど、各種検
討結果が報告されている。しかし、いずれの場合も酸素
による酸化反応によって汚染炭素を除去しようとしてい
るために、試料内部の炭素の除去が起る可能性があり、
その脱炭反応が起ってもそれを確認することができない
問題は大きかった。

【００１０】本発明の不活性ガス中で加熱する方法は、
酸素の存在下で酸化して除去するのではなく、加熱によ
り表面汚染炭素成分を拡散あるいは蒸発などによって除
去しようとするものであり新規な処理方法である。この
考え方によるために、加熱温度は１０００℃のように高
温でも試料内部の炭素の損失は起らず、極めて短時間で
表面汚染炭素を除去することができ、また加熱温度を正
確に設定する必要はなく例えば４００〜１０００℃のよ
うな範囲で設定すれば良い。また、更に高温で加熱すれ
ば加熱時間がごくわずかで、表面汚染炭素のみを迅速に
除去することが可能である。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例として図１及び図２を
用いて、鋼試料中の微量炭素の定量分析をとり上げて説
明する。本発明は、図１に示したように大きく分けて
Ａ：金属試料加熱、燃焼部、Ｂ：雰囲気ガス供給部、
Ｃ：二酸化炭素検出、データ処理部の各部分から構成さ
れている。金属試料加熱、燃焼部（Ａ）は、高周波加熱
用のコイル７を周囲に配置した密閉上の石英ガラス製の
円筒管２を主体とする試料加熱、燃焼室１を中心に構成
される。同試料加熱、燃焼室１の下部には同室１の内部
に試料４及び助燃剤を入れた坩堝３を挿入、排出するた
めの坩堝保持具５及び坩堝昇降装置６が取り付けてあ
る。また、前記円筒管２の低部には試料加熱、燃焼室１
内へガスを供給する雰囲気ガス供給部（Ｂ）が配管で接
続されている。雰囲気ガス供給部（Ｂ）は、窒素ガスボ
ンベ８とそのガス流量計９、酸素ガスボンベ１０とその
流量計９′及びガス切り換え弁１１から構成される。ま
た、前記円筒管２の頂部には燃焼ガス排出管１２を介し
て二酸化炭素検出、データ処理部（Ｃ）が接続されてい
る。二酸化炭素検出、データ処理部（Ｃ）は、酸化銅カ
ラム１３、二酸化炭素検出器１４及びデータ処理装置１
５がこの順に接続されている。

【００１２】ここで、上記図１のように構成された装置
により、鉄鋼試料中の微量炭素を定量する方法について
説明する。試料４は切削状ないしは直径が約６mm、厚さ
が約２mmのディスク状のものであり、通常助燃剤として
タングステン粉末と共にセラミックス製坩堝３にはかり
取る。この坩堝３を坩堝保持具５の上部に設定し、坩堝
昇降装置６を作動させて円筒管２の内部に挿入し密閉状
態とする。ガス切り換え器１１を作動させ、窒素ガスボ
ンベ８及びその流量計９を用いて一定流量で窒素ガスを
円筒管２下部から供給する。高周波電源のスイッチを入
れ、円筒管２周囲に配置したコイル７によって試料４を
加熱する。鋼試料表面に付着していた汚染炭素成分は一
酸化炭素などのガス体として放出される。引き続いてガ
ス切り換え弁１１を切り換えて酸素ガスボンベ１０から
流量計９′を介して酸素ガスを一定流量で円筒管２内に
供給する。最初に試料表面に付着していた汚染炭素成分
は、一酸化炭素ガスとして発生して窒素ガスによって円
筒管２頂部の燃焼ガス排出管１２を経て、酸化銅カラム
１３で二酸化炭素に酸化され、赤外線吸収計からなる二
酸化炭素検出器１４へ送り込まれる。続いて酸素ガスが
供給されて試料が急激に酸化燃焼し、試料中の炭素成分
が二酸化炭素となり、同様に燃焼ガス排出管１２、酸化
銅カラム１３を経て赤外線吸収計１４へ送り込まれる。

【００１３】試料を加熱、燃焼して発生する一酸化炭素
及び二酸化炭素の経時変化は、データ処理装置１５によ
って図２に示すように記録される。また、同時にこれら
のピーク面積を測定することにより、鋼中の炭素含有率
を算出する。また必要があれば、試料の表面汚染炭素量
も同様にして求めることができる。

【００１４】

【発明の効果】本発明によれば、これまでのように約４
００℃で１０分間事前に大気中で加熱処理するような煩
雑な試料表面汚染炭素の除去操作が必要でなく、通常の
金属試料の炭素定量操作内において雰囲気ガスを最初に
不活性ガスを次に酸素ガスを順次供給することによっ
て、最初に試料表面に付着していた汚染炭素成分を、次
に試料内部に含まれていた炭素成分を炭素の酸化物ガス
として分離して定量することができる。

【００１５】汚染炭素成分の除去をこれまでのように大
気雰囲気で行う場合は、加熱温度や加熱時間によって試
料内部に含まれる定量すべき炭素成分をも酸化して除去
してしまう恐れが多かったが、本発明によれば汚染炭素
の除去は不活性ガス雰囲気で行うために加熱温度や時間
を厳密に設定する必要はなく、試料内部の炭素をも除去
してしまう心配を排除することができる。従って、金属
試料中の微量炭素を短時間で、簡便に、しかも正確に定
量することができるようになった。

【００１６】このように金属試料中の微量域の炭素成分
を正確に、精度良く定量することができるようになった
ことは、微量炭素の定量の信頼性を大幅に向上すること
ができ、これは金属の精錬、製鋼プロセスなど金属製造
業における操業管理、あるいは製品の品質管理などの分
野に与える効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の装置構成を示したものであ
る。

【図２】本発明による鋼試料表面汚染炭素及び鋼試料中
炭素の分離検出結果の一例を示したものである。

【符号の説明】

Ａ 金属試料加熱、燃焼部 Ｂ 雰囲気ガス供給部 Ｃ 二酸化炭素検出、データ処理部 １ 試料加熱、燃焼室 ２ 円筒管 ３ 坩堝 ４ 試料 ５ 坩堝保持具 ６ 坩堝昇降装置 ７ 高周波コイル ８ 窒素ガスボンベ ９，９′ ガス流量計 １０ 酸素ガスボンベ １１ ガス切り換え弁 １２ 燃焼ガス排出管 １３ 酸化銅カラム １４ 二酸化炭素検出器 １５ データ処理装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属試料を酸素気流中で加熱、燃焼して
   試料中の炭素成分を二酸化炭素となし、二酸化炭素ガス
   濃度から試料中の炭素含有率を求める分析方法におい
   て、 金属試料を不活性ガス気流中ないしは密閉した不活性ガ
   ス雰囲気中で加熱して試料表面に存在している汚染炭素
   成分を除去後、酸素ガスを導入して加熱して燃焼させ、
   試料中の炭素成分を二酸化炭素となし、生成した二酸化
   炭素ガス濃度から試料中の炭素含有率を求める金属試料
   中微量炭素の迅速分析方法。
2. 【請求項２】 金属試料を収納した坩堝を内部に収納
   し、頂部に燃焼ガス排出管、下部に金属試料を収納した
   坩堝を燃焼室に出し入れする試料設定機構、周囲に加熱
   装置を備えた密閉上の円筒管からなる試料の加熱、燃焼
   部、上記円筒管の下部に設けた不活性ガス及び酸素ガス
   を一定流量で切り換えて導入するガス供給部、及び上記
   の燃焼ガス排出管に接続した二酸化炭素検出器、含有率
   算出データ処理部から構成されることを特徴とする金属
   試料中の微量炭素の迅速分析装置。