(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
抽出炉内に不活性ガスを供給しながら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する工程と、
所定温度になっている前記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るつぼを所定時間所定温度で一次加熱する工程と、
前記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して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抽出炉内に不活性ガスを供給しながらガス分析計に導いて前記試料中に含まれる酸素を定量分析する工程とを含む試料中の酸素分析方法において、
前記一次加熱の後であり、かつ、前記二次加熱をして前記試料中に含まれる酸素を定量分析するまでの間に、前記るつぼの脱ガスのために前記一次加熱時の温度よりも高い温度で加熱し、抽出炉内のガスを抽出炉から導出させ、ガス分析計の上流側に設けたガス排出流路から排出させる工程を含むことを特徴とする試料中の酸素分析方法。
【請求項２】
抽出炉内に不活性ガスを供給しながら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、前記抽出炉内に不活性ガスを供給しながら前記脱ガス後投入された試料が収容されたるつぼを、所定時間所定温度で一次加熱し、前記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手段と、
二次加熱によって加熱融解された前記試料から抽出されるガスが導かれるガス分析計とを備え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、
前記一次加熱の後であり、かつ、前記二次加熱をして前記試料中に含まれる酸素を定量分析するまでの間に、前記るつぼの脱ガスのために前記一次加熱時の温度よりも高い温度で加熱し、抽出炉内のガスを抽出炉から導出させ、ガス分析計の上流側に設けたガス排出流路から排出させるよう動作させる手段を有することを特徴とする試料中の酸素分析装置。
【請求項３】
抽出炉内に不活性ガスを供給しながら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、前記抽出炉内に不活性ガスを供給しながら前記脱ガス後投入された試料が収容されたるつぼを、所定時間所定温度で一次加熱し、前記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手段と、
二次加熱によって加熱融解された前記試料から抽出されるガスが導かれるガス分析計とを備え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、
前記一次加熱の後であり、かつ、前記二次加熱をして前記試料中に含まれる酸素を定量分析するまでの間に、前記るつぼの脱ガスのために前記一次加熱時の温度よりも高い温度で加熱し、そのときるつぼから二次的に抽出される酸素によって生ずるピークの重なりを抑えた一つの酸素量のピークに基づいて、前記試料中に含まれる酸素の定量分析を行う手段を有することを特徴とする試料中の酸素分析装置。
【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４００℃〜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（３０００℃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１０，１１，１２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２５００℃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する工程と、
所定温度になっている前記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るつぼを所定時間所定温度で一次加熱する工程と、
前記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して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抽出炉内に不活性ガスを供給しながらガス分析計に導いて前記試料中に含まれる酸素を定量分析する工程とを含む試料中の酸素分析方法において、
前記一次加熱の後であり、かつ、前記二次加熱をして前記試料中に含まれる酸素を定量分析するまでの間に、前記るつぼの脱ガスのために前記一次加熱時の温度よりも高い温度で加熱し、抽出炉内のガスを抽出炉から導出させ、ガス分析計の上流側に設けたガス排出流路から排出させる工程を含むことを特徴としている。
【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、前記抽出炉内に不活性ガスを供給しながら前記脱ガス後投入された試料が収容されたるつぼを、所定時間所定温度で一次加熱し、前記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手段と、
二次加熱によって加熱融解された前記試料から抽出されるガスが導かれるガス分析計とを備え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、
前記一次加熱の後であり、かつ、前記二次加熱をして前記試料中に含まれる酸素を定量分析するまでの間に、前記るつぼの脱ガスのために前記一次加熱時の温度よりも高い温度で加熱し、抽出炉内のガスを抽出炉から導出させ、ガス分析計の上流側に設けたガス排出流路から排出させるよう動作させる手段を有する。
また、この発明は、別の観点から、抽出炉内に不活性ガスを供給しながら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、前記抽出炉内に不活性ガスを供給しながら前記脱ガス後投入された試料が収容されたるつぼを、所定時間所定温度で一次加熱し、前記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手段と、
二次加熱によって加熱融解された前記試料から抽出されるガスが導かれるガス分析計とを備え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、
前記一次加熱の後であり、かつ、前記二次加熱をして前記試料中に含まれる酸素を定量分析するまでの間に、前記るつぼの脱ガスのために前記一次加熱時の温度よりも高い温度で加熱し、そのときるつぼから二次的に抽出される酸素によって生ずるピークの重なりを抑えた一つの酸素量のピークに基づいて、前記試料中に含まれる酸素の定量分析を行う手段を有することを特徴とする試料中の酸素分析装置を提供する。
【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２０００℃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に対するヘリウムガス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１０００℃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、１７…ガス排出流路。
【図１】
0004095191.tif 000002
【図２】
0004095191.tif 000003
【図３】
0004095191.tif 000004
【図４】
0004095191.tif 000005