DE3205580C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Oxidieren einer feuerfesten Probe, indem diese in einem Ofen erhitzt wird. Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung eignen sich insbesondere zur Elementenanalyse von Proben und insbesondere zum Analysieren von feuerfesten Substanzen.

Eine Vorrichtung zur Analyse von Proben ist bereits durch das deutsche Gebrauchsmuster DE-G 74 28 843 bekannt geworden, bei den die Probe in ein gasdichtes Keramikrohr eingebracht wird, das von einem inerten Trägergas durchspült wird. Die Probe wird von einer außerhalb des Keramikrohres angeordneten Graphitwendel erhitzt.

Eine herkömmliche Sparte der Elementenanalyse von unbekannten Proben umfaßt die Oxidation der zu unter­ suchenden Proben und danach das Weiterleiten des Probengases zu einer Meßzelle. Eine besonders schwie­ rige Gruppe von Materialien für diese Analyse sind Materialien, die als feuerfeste Materialien bekannt sind. Die Schwierigkeit besteht darin, daß feuerfeste Materialien stabil im Festkörperzustand bei ziemlich hohen Temperaturen sind.

Nach dem Stande der Technik weisen Instrumente zum Analysieren von feuerfesten Materialien einen Induk­ tionsofen auf, der dazu dient, die nötigen Temperaturen zur Oxidation dieser Substanzen zu erreichen. Gegenwär­ tig verwendete Öfen zur Analyse von feuerfesten Mate­ rialien sind so ausgelegt, daß sie Temperaturen in der Größenordnung von etwa 2000°C erreichen. Diese Instrumente sind für den beabsichtigten Zweck geeignet, sie sind jedoch groß, teuer und erfordern komplizierte Verbindungen für die Verarbeitung des Probengases: Darüber hinaus sind diese Instrumente allein auf die Analyse von feuerfesten Materialien beschränkt und sind völlig ungeeignet zur Analyse von Substanzen, die bei wesentlich niedrigeren Temperaturen schmelzen oder oxidieren.

Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem einzigen Instrument, das sowohl zur Analyse von nicht-feuer­ festen Substanzen als auch von feuerfesten Substanzen geeignet ist, ohne daß es mit dem Nachteil von hohen Kosten oder einem Verlust an Effektivität behaftet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Oxidieren von feuerfesten Substanzen zu schaffen, die eine Anpassung auch an konventionelle Elementaranaly­ severfahren und Vorrichtungen ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Oxidieren einer feuerfesten Probe, indem diese in einem Ofen erhitzt wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die feuerfeste Probe mit einem Mittel, das bei Zuführung eines Reaktionsgases zu einer exothermen Reaktion fähig ist, bedeckt wird, und daß über die Probe ein die Exothermreaktion in Gang setzendes Reaktionsgas geleitet wird.

Auf diese Weise ist eine lokale Erhitzung der Probe möglich, die zu der gewünschten Reaktion führt, ohne daß es hierzu eines Ofens bedürfte, der auf solch hohe Temperaturen aufheizbar ist, bei denen erst die Reaktion in Gang gesetzt wird.

Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung gelöst, wie sie im Anspruch 5 angegeben ist.

Weitere Vorteile und vorzugsweise Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Im folgenden soll die Erfindung näher anhand einer in der Zeichnung dargestellten vorzugsweisen Ausführungsform erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt (nicht maßstabsgetreu) einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Teilquerschnitt der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, wobei der Schnitt längs der Schnittlinie 2-2 genommen ist.

Ein Elementenanalysator, der allgemein mit dem Bezugs­ zeichen 10 bezeichnet ist, weist einen Ofen 12, eine Inertgasträgerquelle 14, eine Reaktionsgasquelle 16 und eine Analysenzelle 18 auf. Wie in der Technik be­ kannt ist, wird eine typische Analyse einer Probe dadurch durchgeführt, daß eine Menge 20 der Probe aus­ gewogen wird und die Probenmenge 20 in ein Probengefäß 22 gebracht wird. Das Gefäß 22 besteht gewöhnlich aus Platin oder einem anderen Material, das bei ziem­ lich hohen Temperaturen, d. h. in der Größenordnung von etwa 1000°C stabil und reaktionsträge ist. Das Gefäß 22 wird dann in eine Quarzpfanne 24 gebracht, die dazu ver­ wendet wird, das Gefäß 22 vom Rohreingang 26 in den Ofen 12 zu bringen. Vorzugsweise erfolgt diese Beför­ derung dadurch, daß ein Magnet (nicht dargestellt) außen entlang dem Eingangsrohr 26 geführt wird, wodurch durch Anwesenheit eines magnetischen Eisenkerns 28 in einem Ende der Quarzpfanne 24 diese in die gewünschte Posi­ tion bewegt wird.

Wenn sich die Pfanne 24 an der vorgesehenen Stelle be­ findet, wird der Ofen 12 in Gang gesetzt, um die Probe 20 auf eine gewünschte Temperatur, bei der sie oxidiert wird, zu erhitzen. Üblicherweise liegt die obere Temperaturgrenze von konventionellen Elementana­ lysatoren in der Größenordnung von etwa 1000°C. Während des Erwärmens strömt ein Inertgas durch den Ofen 12, wodurch das Probengas in eine Analysenzelle 18 ge­ führt wird.

Die oben beschriebene Vorrichtung und das Verfahren sind im wesentlichen nicht zu gebrauchen, wenn bei­ spielsweise eine Probe aus Siliziumkarbid analysiert werden soll. Siliziumkarbid sublimiert, d. h. zeigt einen Phasenübergang aus der Festkörperphase in die Dampfphase auf, ohne daß es den Flüssigphasenzustand annimmt, bei einer Temperatur von etwa 2200°C. Selbst wenn jedoch das Siliziumkarbid sublimiert ist, muß es noch dissoziiert werden, d. h. die Silizium und Kohlenstoffatome müssen getrennt werden, um analysiert werden zu können. Da eine solche Dissoziation im Be­ reich zwischen 3000°C und 4000°C stattfindet, ist die oben beschriebene Vorrichtung und das oben beschriebene Verfahren ungeeignet. Die Ungeeignetheit resultiert nicht nur aus der oberen Temperaturgrenze für konven­ tionelle Öfen, d. h. 1000°C, sondern auch von der Tat­ sache, daß die Quarzpfanne 24 bei einer erhöhten Tem­ peratur von etwa 1100 oder 1200°C aufweicht.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt auch ein Wärmeeinschlußteil 30 und Mittel 32 zum lokalen Erhitzen der Probe 20. Im Folgenden werden die Aus­ drücke "lokal", "örtlich" oder "örtlich begrenzt" im Zusammenhang mit der Temperaturerhöhung der Probe 20 in dem Sinne verstanden, daß die Erhitzung am Ort der Probe, d. h. konzentriert lediglich auf den Bereich in oder ringsum die Probe 20 erfolgt. Das Wärmeein­ schlußteil 30 ist in der bevorzugten Ausführungsform eine zylindrische Keramikröhre. Das Teil 30 kann aus purem Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkonoxid oder dgl. ge­ fertigt sein und dient nicht nur dazu, die örtliche Wärme, die durch die Mittel 32 erzeugt wird, einzu­ schließen, sondern dient auch zum Schutz der Pfanne 24 und des Ofens 12 vor den örtlich erzeugten hohen Temperaturen. Das Mittel 32 für die örtliche Tempe­ raturerhöhung der Probe 20 ist vorzugsweise mindestens eine Schicht aus Metallpulver, die eine exothermische chemische Reaktion durchführen kann. In einem Beispiel wird eine einzige Zinnpulverschicht, die bei einer Temperatur von etwa 900°C in eine exotherme Reaktion übergeht, über die Probe 20 verteilt. Um die exotherme Reaktion zu erleichtern und zu beschleunigen und so eine örtliche Erhitzung der Probe 20 zu erzeugen, die durch die Reaktionswärme bei der Entstehung von Zinn­ oxid freigesetzt wird, wird eine Sauerstoffgasströmung von etwa 4 bis 6 l pro Minute, vorzugsweise etwa 5 l pro Minute durch das Teil 30 aus der Reaktionsgasquelle 16 geleitet. Die zylindrische Form des Teiles 30 ist somit insbesondere vorteilhaft, um die Sauerstoffgas­ strömung über der Probe 20 zu konzentrieren.

Alternativ zu der Verwendung eines Mittels 32, das nur aus einer einzigen Schicht aus pulverisiertem Zinn besteht, kann ein Mittel 32 mit mehr als einer Schicht aus pulverisiertem Metall verwendet werden. In diesem Fall wird eine erste Schicht 34 aus pulverisiertem Aluminium über der Probe 20 und eine zweite Schicht 34 aus pulverisiertem Zinn über der ersten Schicht 34 verteilt. Es wurde ermittelt, daß im Falle, in dem pulverisiertes Aluminium verwendet wird, das Aluminium­ pulver in einer inerten, nicht oxidierenden Atmosphäre aufbewahrt werden muß, um die Bildung von Aluminium­ oxid zu verhindern. Diese würde nachfolgend die Wirk­ samkeit des Aluminiumpulvers in jedem exothermischen Prozeß verringern. Eine Alternative zur Verwendung von pulverisiertem Aluminium ist die Verwendung von pul­ verisiertem Magnesium. Vorteilhaft ist, daß pulveri­ siertes Magnesium nicht so leicht oxidiert wie Alu­ minium und die Aufbewahrung somit kein größeres Pro­ blem darstellt.

In jedem Fall erfordert jedoch die Verwendung der Mittel 32 im wesentlichen die Verwendung eines Alu­ miniumprobengefäßes 22 an Stelle eines gewöhnlichen Platingefäßes. Dieser Materialwechsel wird vorzugs­ weise zuerst vorgenommen, da im Bereich der erhöhten Temperatur das Gefäß 22 zerstört würde. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß es wesentlich billiger ist, ein Aluminiumgefäß statt eines Platingefäßes vorzu­ sehen. Des weiteren spielt eine Rolle, daß bei der Verwendung von Aluminium das Material des Gefäßes 22 an der exothermen Reaktion teilnehmen kann.

Nach einem besonderen Beispiel wird eine Probe 20 von etwa 1 bis 5 mg Siliziumkarbid präzise abgewogen und in ein Aluminiumprobengefäß 22 gebracht. Dann werden etwa 100 bis 150 mg Zinnpulver oder alternativ etwa 50 mg Aluminiumpulver und 50 mg Zinnpulver über der Probe 20 verteilt. Im Falle, in dem die Aluminium/ Zinn-Kombination verwendet wird, sollte das Aluminium­ pulver über die Probe 20 zuerst und dann das Zinnpulver über dem Aluminiumpulver verteilt werden. In jedem Fall sollte jede Schicht die Probe 20 vollständig bedecken. Die Probenmenge variiert in Abhängigkeit von der zu analysierenden Substanz.

Das Probengefäß 22 wird danach in das Keramikrohr 30 gesetzt, das auf die Quarzpfanne 24 geladen wird. Eine konventionelle Quarzpfanne kann leicht so modifiziert werden, daß sie das Rohr 30 aufnehmen kann. Eine solche Änderung erfolgt nach den üblichen Methoden der Her­ stellungstechnik.

Die Pfanne 24 wird dann in das Innere des Ofens 12 be­ wegt, der sodann in üblicher Weise geheizt wird. Für das Verfahren nach der Erfindung ist es unwesentlich, ob die Probe in einen vorgeheizten Ofen gebracht wird oder ob der Ofen nach dem Einführen der Probe 20 be­ heizt wird. Wie oben erwähnt, muß eine Sauerstoff­ strömung vorgesehen werden, nicht nur um die exotherme Reaktion zu erleichtern, sondern auch um diese zu beschleunigen. Die gewünschte Strömung kann in kon­ ventionellen Geräten dadurch eingestellt werden, daß Sauerstoff von einer Quelle, die einen Druck von etwa 50 bis 60 p.s.i. (cirka 3,45 bar bis 4,13 bar) aufweist, verwendet wird. Die erzeugten dissoziierten und im wesent­ lichen zur gleichen Zeit oxidierten Gase, die aus dem oben beschriebenen Verfahren hervorgehen, werden in der üblichen Art und Weise analysiert.

Claims (11)

1. Verfahren zum Oxidieren einer feuerfesten Probe, indem diese in einem Ofen erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die feuerfeste Probe mit einem Mittel, das bei Zuführung eines Reaktionsgases zu einer exothermen Reaktion fähig ist, bedeckt wird, und daß über die Probe ein die Exothermreaktion in Gang setzendes Reaktionsgas geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel aus einem pulverisierten Metall besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel aus einer Schicht aus pulverisiertem Zinn besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel für eine exotherme Reaktion auf die feuerfeste Probe eine Schicht aus pulverisiertem Aluminium und darüber eine Schicht aus pulverisiertem Zinn aufgebracht werden.

5. Vorrichtung zum Oxidieren einer feuerfesten Probe, mit einem Ofen zum Erhitzen der Probe, gekennzeichnet durch einen Wärmeeinschlußteil (30), in dem die feuerfeste Probe (20) untergebracht werden kann, ein Mittel (32, 34), das bei Zuführung eines Reaktionsgases zu einer exothermen Reaktion fähig ist, zum Bedecken der feuerfesten Probe, und eine Quelle (16) für Reaktionsgas zum Leiten über die feuerfeste Probe.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas aus Sauerstoffgas besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoffgas mit einer Durchsatzmenge zwischen 4 bis 6 l/min strömt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Probenbehälter (22), der die feuerfeste Probe trägt, wobei die Probe in das Wärmeeinschlußteil (30) einsetzbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel aus einer Schicht aus pulverisiertem Zinn besteht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel aus einer Schicht aus pulverisiertem Aluminium (34) besteht, über die eine Schicht aus pulverisiertem Zinn (36) aufgebracht ist, und daß die Schicht aus pulverisiertem Aluminium während der exothermen Reaktion im wesentlichen vollständig in Aluminiumoxid umgewandelt wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen eine obere Temperaturgrenze von größenordnungsmäßig etwa 1000°C aufweist.